Обзор различных типов датчиков ВЧ-мощности и микроволновых датчиков мощности с подробным описанием их преимуществ, недостатков и типичных областей применения.
ВЧ-мощность не всегда легко измерить. Существует несколько методов измерения ВЧ-мощности, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Соответственно, тип используемого датчика мощности РЧ будет зависеть от типа измеряемого сигнала. Некоторые типы технологий датчиков ВЧ-мощности будут более применимы к малой мощности, другие — к методам модуляции, где огибающая изменяется, и так далее.
Обычно ВЧ- или СВЧ-измеритель мощности будет состоять из блока, в котором содержатся все схемы управления и обработки, но сама мощность будет обнаруживаться в том, что обычно называют датчиком или «головкой». Таким образом, в измерителе мощности может быть возможно использовать одну из нескольких силовых головок в соответствии с конкретными требованиями, в частности, в отношении мощности.
Важно отметить, что измерители мощности действуют как нагрузка для ВЧ-мощности, которая поглощается головкой. Это счетчики большой мощности имеют большие нагрузки, которые могут рассеивать требуемый уровень мощности. В качестве альтернативы небольшая часть мощности может быть извлечена с помощью ответвителя или с помощью аттенюатора высокой мощности, чтобы не превышалась номинальная мощность головки измерителя ВЧ-мощности.
Технологии ВЧ-датчиков мощности
Датчики ВЧ-мощности являются ключевым элементом любого измерителя ВЧ-мощности, и выбор типа датчика будет зависеть от вероятных предполагаемых применений. Технологии ВЧ-измерителей мощности относятся к одной из двух основных категорий:
- Диодный детектор на основе;
- на основе тепла.
Хотя обе разновидности измерителей доступны уже много лет, обе технологии были значительно усовершенствованы за эти годы и способны обеспечить очень высокий уровень производительности. Ввиду их различных атрибутов они также используются в различных типах приложений.
Датчики ВЧ мощности на основе диодного детектора
Наиболее простая форма датчика ВЧ-мощности, используемая в измерителях ВЧ-мощности, использует диодные выпрямители для получения выходного сигнала. Датчики ВЧ-мощности с использованием диодов спроектированы таким образом, чтобы датчик рассеивал ВЧ-мощность в нагрузке. Затем диодный детектор выпрямляет сигнал напряжения, появляющийся на нагрузке, и затем его можно использовать для определения уровня мощности, поступающей на нагрузку. Именно эта форма датчика мощности используется во многих базовых аналоговых измерителях мощности, хотя эта технология также используется в высокопроизводительных измерителях мощности.
ВЧ-датчики мощности на основе диодов имеют два основных преимущества:
- Во-первых, они способны измерять сигналы вплоть до очень низких уровней мощности. Некоторые из этих датчиков ВЧ-мощности на основе диодов способны измерять уровни мощности до -70 дБм. Это намного ниже, чем возможно при использовании датчиков РЧ-мощности на основе тепла.
- Другим преимуществом датчиков ВЧ-измерителя мощности на основе диодов является тот факт, что они способны реагировать быстрее, чем датчики на основе тепла. В некоторых старых измерителях мощности выходной сигнал диодного ВЧ-датчика мощности будет обрабатываться простым способом, но гораздо более сложная обработка показаний может быть выполнена с использованием методов цифровой обработки сигналов. Таким образом, показания могут быть обработаны для получения результатов в требуемом формате, необходимо интегрирование по времени или, при необходимости, получение более быстрых и мгновенных показаний.
Хотя основные принципы работы диодов в качестве детекторов хорошо известны, конструкция диодных детекторов сопряжена с некоторыми трудностями при разработке точных контрольно-измерительных приборов. Во-первых, эффект накопленного заряда обычных диодов ограничивает рабочий диапазон диодов. В результате металлические полупроводниковые диоды — диоды с барьером Шоттки — используются в ВЧ-датчиках мощности, поскольку эти диоды имеют гораздо меньший уровень накопленного заряда, а также имеют низкую точку включения прямой проводимости.
Несмотря на низкое напряжение включения диода Шоттки (0,3 В для кремния), это по-прежнему ограничивает самые низкие уровни сигнала, которые могут быть обнаружены — для преодоления этого напряжения требуется сигнал около -20 дБм. Один из подходов состоит в том, чтобы соединить диод по переменному току и применить смещение 0,3 В, но это увеличивает чувствительность только примерно на 10 дБ из-за шума проводимости и дрейфа, вызванного током смещения.
Сегодня часто используются полупроводниковые диоды на основе арсенида галлия (GaAs), поскольку они обеспечивают более высокие характеристики по сравнению с кремниевыми диодами. Диоды из арсенида галлия, используемые в ВЧ-датчиках мощности, обычно изготавливаются с использованием технологии планарных легированных барьеров, и, хотя диоды более дороги, они обеспечивают значительные преимущества для датчиков мощности на микроволновых частотах.
ВЧ и микроволновые диодные датчики мощности часто являются датчиками выбора. Выходной сигнал диода может быть обработан с помощью расширенной обработки цифровых сигналов. Это означает, что один датчик может обеспечить широкий спектр возможностей, которые были бы невозможны с датчиками на основе тепла. С помощью диодов, обнаруживающих огибающую, можно измерять различные формы сигналов.
Датчики ВЧ-измерителя мощности на основе тепла
Как следует из названия, датчики на основе тепла рассеивают мощность от источника в нагрузке, а затем измеряют результирующее повышение температуры. Преимущество датчиков РЧ-мощности на основе тепла состоит в том, что они способны измерять истинную среднюю мощность, поскольку рассеиваемое тепло является интегралом входной мощности за определенный период времени. В результате эти датчики РЧ-мощности измеряют уровень РЧ-мощности независимо от формы сигнала. Таким образом, измерение верно независимо от того, является ли сигнал CW, AM, FM, PM, импульсным, имеет большой коэффициент амплитуды или состоит из какого-либо другого сложного сигнала. Это особое преимущество во многих случаях, особенно в связи с тем, что все чаще используются QAM и другие формы фазовой модуляции, которые не имеют постоянной огибающей. Ввиду постоянной времени этих ВЧ-датчиков мощности они не подходят для измерения мгновенных значений. Там, где требуются эти измерения, могут оказаться более подходящими другие типы датчиков.
Применяются две основные технологии:
- Термисторные датчики ВЧ-мощности. Термисторные ВЧ-датчики мощности широко используются в течение многих лет и обеспечивают очень полезный метод, позволяющий выполнять высококачественные измерения ВЧ-мощности. Хотя термопарные и диодные технологии стали более популярными в последние годы, термисторные датчики ВЧ-мощности часто являются предпочтительными датчиками ВЧ-мощности, поскольку они позволяют заменить питание постоянного тока для калибровки системы. В термисторном датчике ВЧ-мощности используется тот факт, что повышение температуры возникает в результате рассеивания ВЧ-излучения в ВЧ-нагрузке. Существует два типа датчиков, которые можно использовать для обнаружения повышения температуры. Один известен как барреттер — тонкая проволока, имеющая положительный температурный коэффициент. Другой — термистор — полупроводник с отрицательным температурным коэффициентом, который обычно может иметь диаметр всего около 0,5 мм. Сегодня в датчиках ВЧ-мощности используются только термисторы. Обычно используется метод сбалансированного моста. Здесь сопротивление термисторного элемента поддерживается на постоянном уровне за счет смещения постоянного тока. Поскольку ВЧ-мощность рассеивается в термисторе, что приводит к снижению сопротивления, то, в свою очередь, смещение уменьшается для поддержания баланса моста. Уменьшение смещения является показателем рассеиваемой мощности. Современные термисторные датчики содержат второй набор термисторов для обеспечения компенсации изменений температуры окружающей среды, которые в противном случае привели бы к смещению показаний.
- Термопарные датчики мощности ВЧ: Термопары широко используются в наши дни в датчиках мощности ВЧ и СВЧ. Они обеспечивают два основных преимущества:
- Они демонстрируют более высокий уровень чувствительности, чем термисторные датчики ВЧ-мощности, и поэтому могут использоваться для обнаружения более низких уровней мощности. Их можно легко сделать для измерения мощности вплоть до микроватта.
- Термопарные ВЧ- и микроволновые датчики мощности обладают квадратичной характеристикой обнаружения. Это приводит к тому, что входная ВЧ-мощность пропорциональна выходному напряжению постоянного тока датчика термопары.
- Они обеспечивают очень прочный датчик мощности — они более прочные, чем термисторы.Термопары — это датчики, основанные на тепле, и поэтому они обеспечивают истинное среднее значение мощности. Соответственно, их можно использовать для всех форматов сигналов при условии, что требуется средний уровень мощности. Принцип работы термопары прост — спаи разнородных металлов создают небольшой потенциал при помещении их при разных температурах. Современные термопары, используемые в датчиках ВЧ- и СВЧ-мощности, обычно разрабатываются на одном кристалле кремниевой интегральной схемы. Они обнаруживают тепло, рассеиваемое в результате радиочастотного сигнала в нагрузочном резисторе.
Многие измерители ВЧ-мощности позволяют использовать различные датчики радиочастотной мощности в зависимости от того, какие именно измерения должны быть выполнены. В то время как датчики ВЧ-мощности на основе тепла более применимы в приложениях, где требуется комплексное измерение, датчики на основе диодов больше подходят там, где необходимы измерения низкого уровня или мгновенные измерения. Соответственно, необходимо выбирать датчик в зависимости от предполагаемых применений.