本文中，我们将讨论峰值功率传感器和平均功率传感器之间的区别，并简要介绍一些不同类型的传感器。同时，将更进一步地介绍传感器的测量过程，并提供哪些传感器可能更适合您的应用的一些建议。
传感器技术
当今市场上有各种各样的功率传感器，每种功率传感器具有不同的功能和特性。但是，这些功率传感器的技术核心都是使用以下三种技术之一：热传感器、二极管传感器、或接收机(或分析仪)。每种技术都有其固有的优点和缺点，因此，除了频率/动态范围指标以外，更应该通过其他参数来选择所需要的传感器类型。首先，分析下不同技术之间的差异，以更好地了解不同传感器的工作。
热传感器
当今市场上有两种常见的热传感器架构：测热(或热敏电阻)传感器和热电偶传感器。热敏传感器通常基于惠斯通电桥，该结构包含一个热敏电阻作为主要元件之一(如图1所示)。
图1：热功率传感器架构示例
当射频信号进入到热敏电阻时，其温度进而电阻都会改变。然后反馈环路会调整传递到电桥的直流功率电平，以保持平衡。直流功率的变化(特别是减小)与施加到热敏电阻的射频功率直接相关，因此可以进行准确的功率测量。这种关系称为DC替代。在当今大多数基于热敏电阻的传感器中，都有第二个热敏电阻来检测并补偿环境温度的变化。辐射计传感器是最早可用的功率传感器之一。它们具有所有常见传感器类型中最好的线性度，这使其在标准实验室中成为计量标准。但是，它们在常见的传感器中，动态范围(有时只有-20dBm至+10dBm)却是最低的，并且很容易损坏，其连续波烧毁功率仅约为+20dBm。
第二类热传感器，即热电偶传感器，其主要原理为：汤姆森效应和珀尔帖效应。珀尔帖发现，异种金属结可以根据通过它们的方向电流而被加热或冷却。汤姆森则发现，只要存在温度差，单个导体内就会产生电磁场。汤姆森效应和珀尔帖效应一起被称为塞贝克效应，它成为了现代热电偶检测元件的基本物理模型。
图2：热敏电阻功率传感器架构示例
这种方法的第一个优点是电压变化和功率变化之间的线性关系非常好，这就会得到高精度的功率值。其次，热电偶元件通常具有良好的抗ESD或其他瞬态烧坏的能力。最后，热电偶检波器可以测量RMS功率，而且与调制方式无关。这将满足几乎任何信号类型的平均功率测量需求，但是这也会带来些缺点。
温度变化和相应的电压变化在测量之前需要一定的建立时间。所以热电偶传感器的测量速度比其他传感器慢得多。它们的上升时间在毫秒范围内，因此不适合测量峰值或脉冲功率。热电偶传感器还具有较高的本底噪声，在实际测量中，动态范围通常被限制在约-30dBm或-35dBm至+20dBm。
二极管传感器
功率传感器中第二种常见类型是基于二极管的传感器。基本架构非常简单：将相应RF信号输入到负载电阻(通常为50Ω匹配电阻)，该负载电阻与二极管串联且与电容器并联。随着功率上升，二极管控制电容两端的电流/电压，然后将其读取并转换为功率读数。
图3：二极管功率传感器架构示例
电阻两端的功率与电容两端的电压之间的关系，可以分为三个不同的区间：
平方律区——对于低于-20dBm的信号，电路的直流输出电压大小与射频电压的平方成正比。二极管平方律区中的功率测量值具有良好的线性关系，并且与调制无关。
线性区——高于大约0dBm且高达大约+20dBm，直流输出电压与峰值RF电压成比例关系。在这个区域中，二极管的作用就像一个大信号整流器，将电容充电至峰值RF电压。峰值传感器通常将在该区域工作，以测量RF信号的峰值包络功率。
过渡区——平方律区和线性区(约-20dBm至0dBm)之间的区域称为过渡区。在该区域中，准确的功率测量结果依赖于精准的校准和测量操作。
图4：二极管检测器输出对输入功率的响应
在研究二极管传感器时，通常会看到的一个术语是“真均方根值(true-RMS)”。该术语是指，传感器获取的所有功率测量值均取自二极管平方律区的读数。仅使用一个二极管，传感器的动态范围将低于-20dBm，这对于许多RF信号来说是不够的。需要测量较高功率信号的用户可以在RF信号和传感器之间放置一个衰减器，但是额外的衰减器会引入失配不确定和与其他频率相关的特性，这都会对功率测量的准确性产生负面影响。
为了能够在更宽的动态范围内进行真均方根(RMS)测量，许多厂家已经开发了两路或三路二极管传感器架构，这种架构的传感器能够将高功率信号保持在二极管的平方律区。这样的传感器通过将信号分为两路或三路来实现，每个路径都有一个内置了衰减器的二极管。
图5：三路径二极管功率传感器的示意图
通过将衰减器内置到电路中，设计人员能够最大程度地减少失配，并对任何线性偏差进行预补偿。结果是所有信号进入正确的二极管路径，以使其保持在二极管的平方律区内，从而测量得到真均方根值，与调制无关的平均功率读数。
图6：三路径二极管测量范围示例
除了三路径传感器之外，还有CW二极管传感器或峰值/脉冲二极管传感器。连续波传感器使用单路径二极管架构，其算法可处理不同二极管区的功率关系。峰值功率传感器需要宽带接收机，以捕获信号中的快速变化。但这也接收到了更多的噪声，动态范围被限制在-30dBm左右。
与需要一些建立时间反应热量变化的热电偶传感器不同，二极管几乎可以立即对输入电压的任何变化做出反应。所以二极管传感器的测量速度基本上仅受传感器处理数据能力的限制。当今具有更好处理技术的新型传感器，可以做到每秒测量速度达数千和数万次。二极管传感器的精度也相当好，但通常不如热传感器好。选择热传感器代替二极管的主要原因是需要更高的精度(如上述校准示例所示)。
接收机
最后一种功率测量技术是无线接收机，但功率测量通常不是这项技术的主要功能。一般只能在更昂贵的设备(例如频谱分析仪)中集成了该项功能。值得一提是，这些接收机可以为工程师和测试人员提供市场上任何功率传感器都无法提供的优势。
首先，与大多数在时域中工作的功率传感器相反，无线接收机进行的是频域的测量。这意味着可以将接收机调整为仅测量用户定义频率范围内的功率。热传感器和二极管传感器是宽带的，因此它们将包含来自任何频率的功率，包括谐波或其他无关信号。而无线接收机可以从最终功率测量中滤除那些不需要的信号。
与典型的热传感器或二极管传感器相比，无线接收机的本底噪声也低得多，因此它们可以测量低得多的信号功率。当今市场上最好的传感器的测量范围为-70dBm。接近本底噪声的信号需要大量平均才能获得稳定的读数，即使如此，不确定性也会上升。而接收机的本底噪声可能远低于-100dBm，因此这就能够找到并测量许多永远不会在热传感器或二极管传感器上记录的信号。
无线接收机的主要缺点(除了频谱分析仪的高价外)是整体精度。无线接收机的测量不确定度可能大于±2dB。可调性和较低的本底噪声可以帮助弥补这一缺点(如上述情况)，但是在受控的实验室情况下，精确测量功率还是最好采用热敏或二极管传感器。接收机最适合于生产线中的简单验证测试(所谓的“开/关”测试)或传输系统的现场测试，例如无线回程或分布式天线系统(DAS)。
传感器的应用选择
考虑所有这些信息后，如何选择合适的功率传感器？这取决于：首先，问问自己需要完成什么测试，您是否正在为新产品进行精确功率校准？那么精度可能是最重要的，而热传感器则是您的最佳选择。也许您正在对成品进行质量检查，测量速度和功率测量范围是您的最大需求。在这种情况下，二极管传感器甚至接收机可能是最好的选择。
作者：Russel Lindsay, Anritsu Company
翻译：高小强
