二极管功率测量探头及其功率计

长期以来，热敏探头和热电偶探头一直是传感射频与微波功率所采用的检测手段，而整二极管在微波频段一直被用作检波器进行微波信号的包络检波，并用来进行相对功率的测试，在超外差接收机中用作非线性混频元件，而对于绝对功率测量来说，二极管技术主要应用于射频和低的微波频率范围。随着半导体技术的发展，坚固耐用、性能一致性较好的具有金属-半导体结低势垒肖特基二极管（LBSD）的出现使得检波二极管形成功率探头配置成为可能。早期使用这种二极管研制的功率探头（HP8484A）频率范围覆盖10 MHz～18 GHz，功率范围覆盖-70～-20 dBm。20世纪80年代，国外半导体厂家研制了性能更加卓越的平面掺杂势垒（PDB）二极管，这种二极管具有很小的结电容、较好的平坦度以及很好的一致性和稳定性。

随着微波半导体技术的发展以及数字信号处理技术和计算机技术的发展，20世纪90年代设计出了功率测量范围达90 dB的二极管CW功率探头以及功率测量范围达80 dB的调制平均功率探头，使得检波二极管成为传感功率的主要元件。例如：Agilent公司E4416A功率计以及E系列功率探头、中国电子科技集团公司四十一所的AV2432功率计以及AV23200系列二极管功率探头、AV2434功率计以及AV71700系列二极管功率探头的功率检测范围达到了90 dB（-70～+20 dBm），这些功率探头完全依赖于功率线，性度校准、温度补偿、校准因子修正等三维的数据修正和补偿技术，从而保证了在整个频率范围、功率范围以及温度范围内测量的准确度，配接不同型号的二极管功率探头，可以实现：大动态范围CW平均功率、调制信号平均功率以及峰值功率的测量。

1）二极管检波器工作原理

图7-24　低势垒肖特基二极管的检波电流与射频电压的i-v特性示意图

图7-24示出了低势垒肖特基二极管的检波电流i与跨接在二极管两端的射频电压v的i-v特性，其在原点附近的曲线表现为平方律区。

在数学上，检波二极管服从于二极管方程，式（7-33）中：α=q/nkt；i是二极管电流；v是跨在二极管上的净电压；Is是饱和电流，在给定温度下是常数；k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；q是电子电荷；n是适应实验数据的修正常数。为了更好地分析二极管的整流作用，我们可以将式（7-33）展开成幂级数的形式：

正是该级数的二次及其他偶次项提供了整流作用。对于小信号的整流，只有二次项有意义，从而称小信号检波时该二极管工作在平方律区域。在这一区域，输出电流正比于射频输入电压的平方。当v高得使四次项都不能忽略时，二极管的响应便不再处于平方律检波区，而是按准平方律整流，这时我们称之为过渡区，再往上到了线性检波区。(www.xing528.com)

图7-25示出了典型的封装二极管检波的平方律-非平方律检波特性曲线，其平方律区为从噪声电平开始（一般可从-70 dBm开始）一直延伸到-20 dBm左右的这一段区域，从-20 dBm到0 dBm为过渡区，0 dBm以上对应于线性区，对于检波二极管来说，最大输入功率一般不超过+20 dBm，否则二极管将被烧毁。图7-26示出了典型检波二极管输入功率-平方律检波特性偏差示意图。

图7-25　检波二极管的平方律-非平方律检波特性曲线

图7-26　二极管输入功率-平方律检波特性偏差示意图

图7-27　二极管检波电路

图7-27表示用来检测低电平射频信号的无偏置二极管检波电路。检波的实现是因为二极管具有非线性的i-v特性，跨接在二极管上的射频电压被检波，从而得到一直流输出电压。对射频信号而言，二极管检波器的电阻与被测信号源的源电阻匹配，则该二极管将得到最大的射频功率，但是二极管电阻远大于50Ω，因此在二极管检波器前要用一个单独的匹配电阻来调节其输入终端阻抗，使得二极管电阻与源电阻匹配时，有最大功率传送给二极管检波器。在原点处，二极管电阻R0与温度具有强烈的依赖关系，这意味着二极管的灵敏度和反射系数也与温度强烈有关。因此，二极管检波器的检波电压与温度具有复杂的二维关系，检波器温度特性不仅与温度有关。

2）大动态范围二极管连续波功率探头

数字信号处理技术和微波半导体技术的发展为二极管功率探头传感和测量功率提供了性能和能力上引人瞩目的改进。应用线性校准技术使得单个二极管连续波平均功率探头的动态范围达到-70～+20 dBm。现代大动态范围二极管功率探头常常采用平衡配置的双二极管检波方式。