在射頻中如何實現(xiàn)功率的精確測量

作者：時間：2016-12-26 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　PA功率分析儀功率單元有兩路輸入：電流和電壓。FPGA和DSP等運算直接獲得的測量數(shù)據(jù)只有電壓和電流的ADC直接測量的結(jié)果，功率、效率、諧波等均以電壓電流測量為基礎(chǔ)，通過運算獲得的結(jié)果，如功率就是使用電壓和電流直接測量結(jié)果進(jìn)行的運算。所以電壓電流測量的準(zhǔn)確性就顯得至關(guān)重要，導(dǎo)體的電阻率會隨溫度變化、器件老化、線路共模/串模干擾、測量走線接線方式、電路接線方式等都會影響測量結(jié)果，本文重點講解測量接線方式、電路接線。

　　1.測量走線接線方式

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/333943.htm

　　1)不規(guī)則連接--最差的接線方式

　　圖 1、圖 2兩條測量線比較分散，形成很大的環(huán)路，當(dāng)環(huán)路中有變化的磁通通過時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將在環(huán)路中產(chǎn)生與磁通同樣變化的噪聲電壓，儀器測到的值不真實。

　　圖 1 電壓不規(guī)則接線方式

　　圖 2 電流不規(guī)則接線方式

　　2)一般接線方式—平行走線

　　圖 3、圖 4相比分散的連接方式，測量線形成的環(huán)路很小，僅限于連根線之間。

　　圖 3 電壓平行走線接線方式

　　圖 4 電流平行走線接線方式

　　3)較好的連接方式—雙絞線

　　圖 5使用雙絞線連接被測信號，與平行走線相比，雙絞線把環(huán)路細(xì)分到每個絞合環(huán)，相鄰的絞合環(huán)對外部磁場產(chǎn)生相反的噪聲電壓從而抵消掉。

　　圖 5 電壓雙絞線接線方式

　　圖 6 電流雙絞線接線方式

　　4)理想的接線方式—同軸電纜

　　圖 7、圖 8對稱的同軸電纜外層導(dǎo)體中心與內(nèi)導(dǎo)體重合，等效面積為0，因此有很好的磁場屏蔽效果。

　　圖 7 電壓同軸電纜接線方式

　　圖 8 電流同軸電纜接線方式

　　2.電路連接接線方式

　　功率耗損影響

　　使用和負(fù)載匹配的接線方式可以降低功率損耗對測量精度的影響，以下是考慮電源和負(fù)載電阻的情況。參考前期微信文檔《功率測量儀器的“特征阻抗”》中電流表損耗定義

　　P=I2Ri

　　電壓表損耗定義

　　P=U2/RV，電壓表和電流表內(nèi)阻乘積平方根暫且稱為儀器的“功率特征阻抗”，當(dāng)負(fù)載電阻RL>RP時，電壓表損耗大，推薦電流表內(nèi)接法，當(dāng)負(fù)載電阻RL

　　舉例PA5000，電壓輸入阻抗Rv約2MΩ，電流輸入阻抗Ri約100mΩ，電流量程選擇1A，電壓量程選擇300V，電壓電流功耗函數(shù)圖 9，此時Rp=200，當(dāng)負(fù)載電阻RL約大于447.2Ω時，推薦電流表內(nèi)接，反之外接，示意圖圖 10。

　　圖 9 電壓電流表功率損耗函數(shù)圖

　　圖 10 內(nèi)外接判定標(biāo)準(zhǔn)圖

　　1)電流表外接---測量較大電流

　　將電壓測量回路連到近負(fù)載一側(cè)。電流測量回路測得流經(jīng)負(fù)載的電流IL和流經(jīng)電壓測量回路的電流IU之和。因為測量回路電流為IL，所以誤差僅為IU，對測量精度的影響為IU/IL。

　　圖 11 電流表外接圖

　　2)電流表內(nèi)接--測量小電流

　　將電流測量回路接到近負(fù)載端。電壓測量回路測得的電壓等于負(fù)載電壓eL和電流表兩端的電壓eI之和。因為測量回路電壓為eL，誤差為eI。對測量精度的影響為RI/RL 。

　　圖 12 電流表內(nèi)接

雜散電容的影響

　　將儀器的電流輸入端子連接到接近電源接地電位的一端，可以降低雜散電容對測量精度的影響。

　　電壓測量回路和電流測量回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖 13，因為外部機(jī)箱與屏蔽盒絕緣，所以存在雜散電容Cs。而誤差正是由該雜散電容產(chǎn)生的電流形成的。

　　圖 13 測量回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　作為舉例，將考慮電源的一端和外部機(jī)箱接地的情況。

　　這種情況下可以考慮2種電流，負(fù)載電流IL和通過雜散電容的電流ICs如圖 15虛線所示，IL從電流測量回路流經(jīng)負(fù)載回到電源。如點劃線所示，ICs從電流測量回路流經(jīng)雜散電容、外部機(jī)箱接地回到電源。

　　因此，在電流測量回路即使只測量IL，得到的也是IL與ICs的和(矢量和)，誤差僅為ICs。假設(shè)施加于Cs的電壓是VCs (共模電壓)，可以通過以下公式求取ICs。因為ICs相位超前電壓90°，所以功率因數(shù)越小，ICs對測量精度的影響就越大。ICs= VCs × 2πf × Cs。