具有以下特点:数字化,小型化;探头完成所有测试功能,和测试数据的采集;无需主机,可以由包括手机在内的具有操作系统的设备做探头控制和数据分析。
针对不同的测试目的和任务,如何选用合适的功率探头,是摆在每个射频工程师面前的问题。
从探头采用的技术类型划分,可分为两大类:热电探头和二极管探头。热电探头又分为热敏、热偶和热电堆三个类别;二极管探头又分为单通道、多通道和宽带(峰值)几个类别。
从应用场合看,热电探头小功率(1mW左右)测试准确度高,功率测试动态范围小,适合射频微波信号平均功率的计量校准;二极管探头功率测量动态范围大,速度快,适合研发测试和工程应用。
热敏功率探头采用热敏电阻作为核心元部件,输入信号经过热敏电阻的功率被其吸收后温度上升,电阻值发生显著变化,利用电桥测量电阻值的变化,显示功率值。
热偶功率探头的核心部件是热电偶。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生温差电势,电势的大小正比于吸收的高频功率值,这种现象称为热电效应,又称为塞贝克(Seebeck)效应。利用热电偶型功率计中的热偶结直接吸收高频信号功率,热结点温度上升,产生温差电势,电势的大小正比于吸收的射频功率值,进行功率测量。
为了提高热电偶的灵敏度,可将多个热电偶串联起来组成热电堆;热电堆的输出电压(输出温差电动势)是多个热电偶的输出电压之和。
综合考虑测试频率范围、功率范围和准确度,热电堆是目前最佳热电功率探头技术。
二极管功率探头采用半导体二极管作为核心元部件,采用平方率检波,获得功率值。所谓平方率检波,就是在小信号范围(-70dBm~-13dBm),肖特基(schottky)二极管输出电压正比于输入功率,或者说正比于输入电压幅度的平方,通过输出电压的测量,得出功率测量值。
单通道二极管的功率测试范围不够高,现代智能探头一般都会采用多通道方式。通常增设两路不同前端衰减器的通道,与不加衰减器的通道并行测量,对一组三通道测试数据进行智能判断和修正。通过这种方法,能轻松实现大动态范围(-70dBm~+23dBm)功率的准确测量。
上述智能探头采用不一样的视频滤波器(低通),获得更佳灵敏度和动态范围。对于特殊测试应用,如峰值功率测量,采用宽带视频滤波器(如30MHz),从而获得更快的响应速度,能够测试更窄的脉冲,获得连续的脉冲信号功率变化曲线,进而分析实时功率值。
功率探头的作用是获得准确的功率测量值,每个探头必须有精确的校准数据。现代功率探头的校准数据一般内置在探头内置存储器中。功率探头的校准数据,即包括入射功率的修正,也包括驻波反射修正。
功率探头的输入端连接输入被测信号,输出端直接是测试数据(测量值),数据修正是在测量中自动完成的。
现代功率探头在测量前无需外置源校准,因为探头内部有参考源和参考温度,“调零”过程就包含了以前的测量前校准过程。
为了保证测量准确度,功率探头需要送到计量单位溯源和校准,如果计量单位给出的修正数据与功率探头原有数据偏差,在测量不确定度范围以内,则此探头通过校准,无需修改数据。
如果计量单位采用原厂功率标准,例如RS NRPC,计量RS功率探头,那么计量过程能轻松实现真正的“校准”,可以自动擦写探头内部修正数据,误差归零;当然,如果用NRPC计量其他公司探头,仅能完成“计量”过程,给出误差而不能擦写内置数据。
兼顾测试准确度和测量动态范围(-70dBm~+23dBm),通用功率探头是二极管(智能多通道)探头。
小功率信号(-10~+10dBm)的计量校准,选用热电堆功率探头,具有最佳测量不确定度。
另外,如果功率范围在(-35dBm~+20dBm),并且只需要测量信号的平均功率,热电堆功率探头也是最佳选择。
脉冲调制信号,一般会用峰值功率探头测试,也就是宽带二极管(智能多通道)探头。其视频带宽决定其窄脉冲测试能力。
下图(左):单路信号脉冲功率测试;下图(右):两路信号脉冲功率测试,可分辨两路脉冲相对时间关系。
在大功率(可能高达几十kW)测试场合,常常要外接衰减器或定向耦合器。目前较先进的功率探头能够直接进行S参数修正,也就是把外接装置的全频段S参数内置在功率探头,实现每个频点的测试值自动修正。
功率探头内置参数修正,导入外部衰减器S参数数据,进行大功率信号精确功率测试:
现代功率探头能完成所有测量功率,并发送出测量数值。数据传输接口可以是专用主机接口,也可以是通用USB接口或网口。因此,除了功率计仪器,可使用其它带有操作系统的设备,如电脑、其它仪器甚至手机。如果采用网口,可以用电脑通过TCP/IP协议远程访问功率探头。