20世纪70年代出现了热电偶探头，并在很多场合逐步取代了热敏电阻探头。热电偶探头与热敏探头相比其有很明显的优势：首先，它们表现出有更高的灵敏度，测量的功率可低到-30 dBm；其次，热电偶探头具有固有的平方律特性（输出直流电压与输入的微波功率成正比）；另外，热电偶探头的端口驻波（SWR）可以设计得很好，从而使测量不确定度更低。
热电偶对微波能量的传感作用是吸收微波功率产生热量，并把热量变换为热电压，基本工作原理是采用两种不同金属构成回路或电路，有两个结点，一个金属结点受热，而另一个不受热，如果回路保持闭合，只要两个结点维持在不同温度上，回路中便有电流流过。若将回路断开，插入一灵敏的电压表，则它就可以测量出净电动势。如果把其中的一个结点置于高频电磁场中，吸收微波功率，使它的结点温度升高，产生电动势，由后续电路处理并测量温差热电势而得出功率量值。根据热电偶材料的不同，热电偶功率探头又分为铋锑薄膜热电式功率探头和半导体薄膜热电式功率探头两类。
早期传感射频功率的热电偶是由金属铋和锑构成的，当射频能量加热热电偶的一个结点时，该能量便耗散在构成该结点金属所形成的电阻上，因此该电阻温度会上升，并在热电偶结点两端产生温差，通过该温差作用在其两端产生一个与被测功率成正比的电压。通常采用薄膜技术制造金属热电偶，铋和锑构成的功率探头分为同轴和波导两种，其基本原理相同。国产的GX2-N1和GX2-N2（2）型功率探头就是采用这种技术，这种小型的热电偶具有寄生电抗、低的烧毁电平和较大的热点堆，虽然有良好的灵敏度，但是由于器件尺寸过大以致在较高的微波频段难以有良好的阻抗匹配，因而在微波频率上易受电抗效应的影响使其测量的上限频率受到限制。同时，铋锑薄膜式热电偶抗过载能力较差，常常会因不经心的偶然过载便招致热偶的永久性烧坏。
鉴于铋锑薄膜式热电偶具有烧毁电平低和有寄生电抗限制着它的频率范围等缺点，20世纪80年代，应用半导体工艺技术成功研制出以半导体薄片为基片并作为热偶之一臂的半导体薄膜热偶，它集中了半导体技术和微波薄膜技术的优点，应用于微波功率测量并获得了较好的结果，如HP8487A/W8486A等功率探头都是利用这种技术制造的，频率范围覆盖10 kHz～170 GHz，功率动态范围达到50 dB，具有较好的阻抗匹配性能。
半导体热电偶元件由金、硅氧化物和氮化钽等材料构成，而薄膜结构可以使它具有小的体积、精确的几何结构，使得其在3 mm波段仍然具有较好的阻抗匹配性能。图7-9给出了使用这种技术的一种热电偶功率探头的原理框图，在同一芯片上含有两个相同的热电偶，就直流电压而言，这两个热电偶是串联的；而对射频输入频率来说，两个热电偶通过耦合电容C受到激励，是并联的。每个热电偶流过一半的射频电流。每个薄膜电阻器和与其串联的硅片具有100Ω的总电阻，两个并联的热电偶对射频传输线形成50Ω终端。
左方热电偶的较低结点直接接地，而右方热电偶的较低结点通过旁路电容Cb对射频接地。两个热电偶产生的直流电压串联相加，形成更高的直流输出电压。输入前置放大器的两条引线是对射频接地的，对上面一条引线不必对射频加以抑制，从而可大大提高探头的频率范围。(www.xing528.com)
热电偶的灵敏度可以表示为其直流输出电压幅度与传感射频功率耗散功率之比。典型的灵敏度约为160μV/mW，这种功率探头可测量的功率电平最小为1.0μW，此时热电偶探头的直流输出电平只有160 n V左右，因而难以在普通的软性连接电缆中传送，为此在功率探头中常含有某种低电平交流放大器电路，只有相当高电平的交流信号出现在电缆中，从而隔断微小直流偏置电压附加在信号上。
处理这种微小直流电压的一个实现方法是将其“斩波”以形成方波，然后用交流耦合系统加以放大。
2）热电偶功率计
图7-9为热电偶式功率计的总体简化原理框图，热电偶功率探头产生的热电压正比于冷热点的温差，温差正比于输入的微波功率，故热电偶式功率计为有效值测试。热电偶的灵敏度典型值为100 p V/mW，检测-30 dBm功率时，输出的直流电势只有100多纳伏（n V）。因此，热电偶探头产生的热电电压是微小的，需要使用低噪声、高增益、稳定性好的放大器以及斩波放大等一系列小信号放大处理方法，由方波发生器驱动斩波器（由低噪声场效应晶体管构成），将热电电压变换为交流电压，然后对交流信号进行放大。前置反馈放大器的一部分在探头内，与处于功率计内部的另一部分组成一个完整的输入放大器，完成对信号的初步放大，这样可以有效消除多芯电缆偶尔引起的干扰，因为多芯电缆馈线处在反馈放大器环内，对于电缆引入的瞬间干扰信号可得到有效的抑制，提高了抗干扰能力。由前置放大器放大的信号通过放大增益和衰减可变的量程变换放大器放大或衰减，然后利用220 Hz方波发生器控制同步检波器进行斩波信号同步解调。
图7-9 热电偶式功率计的总体简化原理框图
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
