在較高的工作功率等級下，功率等級每增加一個分貝，在設計複雜性、主動元件的費用、製造技術、測試難度和可靠性方面的成本就變得更高。每 dB 功率等級的成本增加在微波頻率下尤其明顯，高功率固態元件本質上更昂貴，設計到電路中的保護帶（避免最大元件應力）導致價格上漲。

許多系統在正常運作期間都會持續監控輸出功率。如此大量的功率測量及其重要性決定了測量設備和技術必須準確、可重複、可追溯且方便。本應用指南的目的是指導讀者日常進行這些測量品質。

上面引用的許多範例都使用術語“訊號電平”，自然趨勢可能是建議測量電壓而不是功率。在低頻（約低於 100 kHz）下，功率通常根據已知阻抗上的電壓測量來計算。隨著頻率的增加，阻抗會波動並降低功率測量的準確性，迫使工程師創建理論計算的電壓和電流參數。矛盾的是，對精確測量的需求同時增加。

在光譜中約 30 MHz 及以上的頻率下，功率的直接測量更加容易且更準確。實用性下降的另一個例子是在波導傳輸配置中，其中電壓和電流條件更難以定義。

功率測量方法

有三種流行的感測和測量射頻和毫米波頻率平均功率的方法。每種方法都使用不同類型的設備將射頻功率轉換為可測量的直流或低頻訊號。

1. 方法一：使用熱敏電阻
2. 方法二：使用熱電偶
3. 方法三：二極體檢波器

每種方法都有自己的優點和缺點。
熱電偶：

• 真有效值測量
• 對暫時的壓倒相對不敏感。
• 中等動態範圍（通常為 40dB）

慢速二極體 (CW)：

• 平方根區域的真實RMS 測量。
• 對暫時的壓制非常敏感。
• 非常高的動態範圍（通常為90dB）

更快的二極體（峰值）：

• 平方根區域的真實RMS 測量。
• 對暫時的壓制非常敏感。
• 中等到高動態範圍（通常為40 – 80dB）。非常快

平均功率的一般測量技術是將正確校準的感測器連接到適當的傳輸線連接埠。感測器的輸出連接到相容的功率計。關閉感測器的射頻功率，並調整功率計以讀取零功率。然後打開電源；感測器對新的輸入功率等級做出反應，向功率計發送訊號，並觀察到新的儀表讀數。
理想情況下，功率感測器吸收入射到感測器上的所有功率。然而，實際上，與功率檢測相關的最普遍的錯誤是由於射頻傳輸線的特性阻抗與感測器的射頻輸入阻抗之間可能存在的阻抗不匹配造成的。此外，射頻功率可能會在功率感測元件以外的其他地方耗散。此類損失不予計量。這種缺陷是透過有效效率來衡量的。

功率感測器錯誤

與功率感測器相關的最常見的錯誤是前面段落中討論的失配損耗和失配不確定性。第二個誤差源是功率感測器的效率不理想。

有效效率
對於大多數電氣元件，效率定義為有用輸出功率與總輸入功率的比率。在使用功率感測器時，「輸入功率」是傳送到感測器的淨功率。它是入射功率減去反射功率。但並非所有功率都消耗在功率感測器的元件中。

有些可能會輻射到太空或洩漏到儀器中。有些消耗在功率感測器的導電壁、電容器或儀器未計量的其他幾個地方。

為了進行計量，消耗的高頻功率必須經過某種轉換過程，轉換為等效的直流或低頻電平。存在與替換過程相關的錯誤。在熱敏電阻感測器中，誤差是由於設備本身內的電流、功率和電阻的空間分佈對於直流和射頻功率不同而導致的。

為了解決常見的寄生損耗以及直流/低頻替代問題，功率感測器採用了一個特殊術語「有效效率」。

• 功率計校準

功率計的校準涉及多種標準和流程。每個因素都可能受到各種因素的影響，例如進行校準的人員或導致測量不確定性的環境因素（例如溫度和濕度）。

• 功率計不確定度

儀器不確定性是儀表追蹤誤差、電路非線性、量程變化衰減器不精確性和放大器增益誤差等因素綜合作用的結果。它還包括由電子電路和互連電纜內的溫度梯度引入的熱電電壓等引起的非常小的不確定性來源。即使操作員對儀表指示的主觀解釋也會導致不準確！儀器製造商通常會減輕這種累積的不確定性，他們設計的設備可以產生包含可接受誤差範圍的結果。

功率計漂移

漂移或長期穩定性是指在輸入功率、溫度和線路電壓恆定的情況下，儀表指示在很長一段時間內（通常為一小時）的變化，並且主要是感測器引起的。在大多數情況下，漂移實際上是零設定下的漂移。對於較高範圍的測量，漂移對總不確定度的影響非常小。在更靈敏的範圍內，可以在讀數之前透過調零將其降低到可忽略的水平。

• 感測器校準係數

校準係數 (Kb) 是功率感測器有效效率和失配損耗的組合。 Kb 的精確測量很複雜，主要由標準實驗室和製造商執行。大多數現代功率計可以透過設定刻度盤或鍵入數字來校正其顯示為正確的 Kb 值。 Kb 的不確定度（源自製造商、NIST 或標準實驗室測量 Kb 的不準確性）由校準供應商指定。

• 功率感測器線性度

功率測量的線性是感測器的一個特性。與完美線性度的偏差通常發生在感測器的較高功率範圍內或接近感測器的指定限值。對於熱電偶感測器，除了 +10 至 +20 dBm 的最高功率範圍外，線性度可以忽略不計，其中偏差指定為 ±3%。

• 功率計歸零
在任何功率測量中，儀表最初必須設定為零，且感測器上未施加射頻功率。這是透過在功率計內引入偏壓來強制功率計讀數為零來實現的。失調電壓受到多種來源的污染，包括感測器和電路雜訊。在較高功率範圍內，與測量的訊號相比，調零誤差較小。

• 功率計和感測器噪聲
雜訊（短期穩定性）源自於功率感測器和電路內的源。它被指定為在輸入功率、溫度和線路電壓恆定的情況下，儀表指示在短時間間隔（通常為一分鐘）內的變化。原因之一是由於組件的有限溫度導致自由電子的隨機運動。可以在該隨機波動產生最大指示或可能最小指示時進行功率觀察。

減少波動傳輸線失配不確定性的簡單技術

幾種實用技術可以減少失配的不確定性。第一個涉及選擇具有最低 SWR 規格的測試設備。在這種情況下，控制失配不確定性就像降低測試裝置中的任何傳輸線或組件上的反射係數一樣簡單。確保理想的測試系統效能可採取的其他步驟包括：

• 盡量減少電纜長度和轉接器數量。

在較低頻率（例如，低於 300 MHz）下，較短的傳輸線會減少相位隨頻率的變化。對於較高頻率，此方法不可行，因為即使很短的電纜也會形成波長的很大一部分。也應使用優質電纜。如果測試多個設備，連接器的設計應能夠承受數百次連接和斷開循環。此外，可能需要在不同系列的連接器之間進行轉換，但應盡量減少適配器的數量。適配器應直接轉換而不是堆疊。另外，要小心不同類型連接器之間的配合。

• 使用扭力扳手。
為了保持一致的張力，請施加適當的扭力值。擰緊螺絲型連接器時，請使用扭力扳手以避免連接器擰得太緊或過緊。這將確保當其他操作員接管時，密封性幾乎沒有變化。

• 確定電纜、連接器、轉接器的特性。
檢查電纜和適配器效能的最佳方法是使用向量網路分析儀並記錄結果，以便在下次定期測試站審核時進行比較。為了優化精密連接器的性能，請定期清潔和測量它們。測量連接器時，會使用特殊的千分錶進行測量，以確保其沒有受到機械損壞。損壞的連接器可能會立即毀壞配合部件。

改善失配不確定性的先進技術

當測試安排的性能根本不足以完成工作時，可以採用幾種更先進的技術來提高失配的不確定性，從而提高準確性。這些技術包括：

• 使用衰減器改良測試SWR。
使用衰減器（焊盤）來提高傳輸線的平坦度是假設衰減器的回波損耗優於原始來源或負載。衰減器通常放置在回波損耗最差的線路末端。為了保持負載處的訊號電平恆定，必須提高發生器電平，儘管這樣做會限制此方法對中等功率電平的適用性。

• 使用隔離器減少負載反射
隔離器應用於高功率水平，此時衰減器中功率損耗的經濟成本會很高，而應用於極低功率水平，則訊號將被熱噪聲掩蓋。隔離器組件是窄帶設備，可能比衰減器更昂貴。

• 使用功率分配裝置。
這裡，採用均衡環路在分路器的中心點產生阻抗。由此產生的「發生器輸出阻抗」相當於分路器第二臂中高度匹配的微波電阻。調平迴路使用低頻回授來改善來源與線路的有效匹配。這需要一個雙電阻功率分配器或定向耦合器。在功率計上測量發電機的輸出，並調整發電機以使指示的功率處於所需的水平。此技術需要比訊號產生器匹配更好的功率計，以及精確匹配的兩個電阻功率分配器或定向耦合器。隨著測量頻率的增加，在傳輸線上保持低 SWR 的重要性也隨之增加。雖然失配的不確定性永遠無法消除，但這些實用措施將使工程師能夠將 SWR 保持在最低限度。

功率測量技術
射頻功率計是一種精確且經濟高效的射頻功率測量儀器。由於它是標量儀器，無法測量相位，因此應注意盡量減少阻抗失配，阻抗失配的反射可能會與被測訊號同相或異相，從而導致更大的幅度不確定性。功率計是寬頻的並且沒有頻率選擇性，因此任何不需要的訊號都會被平均到所需的測量中。大多數功率計的動態範圍為 50 至 70 dB。高階功率計能夠進行專門的測量，例如跨頻段的整合功率和脈衝射頻功率的觸發。由於這些原因，如果環境控制良好，功率計是一個不錯的選擇。

另一種常用的測量射頻功率的儀器是頻譜分析儀。借助這些更複雜的射頻儀器，工程師可以測量頻率範圍內的各個頻譜成分。絕對功率測量精度並不突出，通常為+ 0.5 至+ 2.0 dB。然而，相對功率精度（或幅度線性度）非常好。因此，例如，使用訊號產生器的已知功率電平在給定頻率下進行校準，可以得到在大於 100 dB 的動態範圍內準確的校正功率測量結果。

高效能射頻儀器，包括向量訊號分析儀和向量網路分析儀，可以測量振幅和相位，從而提供更高的糾錯和測量精度的潛力。除了前面提到的射頻功率測量之外，還可以對脈衝波形和其他複雜射頻波形進行專業測量。這包括脈衝分析，它測量射頻脈衝包絡上的功率，以及射頻脈衝的平均功率和峰值功率。複雜的 IQ 波形以更像雜訊的方式進行測量，包括峰值均比和互補累積分佈函數 (CCDF) 等測量。