超寬量程微波功率指示器校準(zhǔn)方法研究

李健一　閆道廣

(中國人民解放軍92493部隊，葫蘆島 125000)

0　引言

目前，微波功率量值傳遞的重點集中在功率傳感器校準(zhǔn)因子的量傳，對功率指示器則不大重視。作為一個指示儀表，其量值的準(zhǔn)確與否同樣影響著整體測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然目前各大公司都有可以不用功率指示器的USB接口功率傳感器上市，但功率指示器在很多場合仍是不可或缺的重要測量設(shè)備。以Agilent公司的系列功率計為例，根據(jù)JJG(航天)22-1987《436A型功率計檢定規(guī)程》，對功率指示器進(jìn)行校準(zhǔn)只能利用其母公司生產(chǎn)的量程校準(zhǔn)器來進(jìn)行。多年以來，Agilent公司唯一一款11683量程校準(zhǔn)器沒有更新?lián)Q代產(chǎn)品，測量范圍局限在-25～20dBm，而其新型的EPM系列、P系列功率指示器量程已拓展到-70～44dBm，也就是說按照現(xiàn)有的方法和設(shè)備已遠(yuǎn)不能滿足新型超寬量程功率指示器的計量需求。并且，不同公司生產(chǎn)的量程校準(zhǔn)器與功率指示器之間不具備兼容性，這就使得實驗室需購買各個公司生產(chǎn)的量程校準(zhǔn)器才能對該公司生產(chǎn)的功率指示器進(jìn)行校準(zhǔn)，增加了校準(zhǔn)成本，而且有些儀器廠商根本就沒有相應(yīng)的量程校準(zhǔn)器，使得這些功率指示器的校準(zhǔn)成為空白[1]。針對上述問題，提出利用SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)實現(xiàn)功率指示器校準(zhǔn)的方法，并經(jīng)過反復(fù)的實驗測試和理論分析計算，結(jié)果證明所提方案滿足測試要求，提高了校準(zhǔn)的通用性，拓展了校準(zhǔn)量程。

1　功率指示器校準(zhǔn)常規(guī)的做法及弊端

功率指示器本質(zhì)上是一臺數(shù)字電壓表，把功率傳感器輸入的直流信號進(jìn)行整流、放大并顯示，輔助以其它相應(yīng)的測量功能。對功率指示器進(jìn)行校準(zhǔn)通常只需要對其指示器準(zhǔn)確度和1mW參考輸出兩個參量進(jìn)行測試。

1)功率指示器的1mW參考輸出端口是一個固定頻率(50MHz)、固定電平(1mW)輸出的簡易功率源，對其測量一般由另一臺功率指示器和功率傳感器組成的標(biāo)準(zhǔn)功率計完成。其基本原理是利用標(biāo)準(zhǔn)功率計測量被校指示器1mW參考輸出射頻功率，根據(jù)測量值的大小判斷被校功率指示器的功率參考電平是否滿足要求。

2)功率指示器準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)最常用的做法是使用量程校準(zhǔn)器，如圖1所示。量程校準(zhǔn)器本質(zhì)上是一臺簡單的直流電壓源，按照相應(yīng)的規(guī)則輸出相應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)信號，觀察功率指示器的顯示情況是否滿足其技術(shù)指標(biāo)的要求，從而實現(xiàn)校準(zhǔn)。

圖1　功率計常規(guī)校準(zhǔn)方案原理框圖

該方法存在以下弊端：

1)校準(zhǔn)量程受限。以安捷倫公司生產(chǎn)的功率功率傳感器為例，如圖2所示，使用傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)功率指示器，在較寬的量程范圍內(nèi)都屬漏檢，即使20～44dBm屬于中功率范疇，使用機(jī)會非常少，但低端-70～-25dBm內(nèi)未能做出有效的計量檢定，無法保證在此范圍內(nèi)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)量程受到了很大的限制。

圖2　Agilent公司功率指示器校準(zhǔn)量程對比

2)通用性不強(qiáng)。目前市場上常見的功率指示器出自不同廠家，接頭形式及內(nèi)部機(jī)理各不相同。使用傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)功率指示器，只能針對不同的廠家配備相應(yīng)的量程校準(zhǔn)器，增加了校準(zhǔn)成本。而且有些儀器公司根本就沒有相應(yīng)的量程校準(zhǔn)器，使得這些功率指示器無法完成校準(zhǔn)。通用性不強(qiáng)給功率指示器的校準(zhǔn)帶來很大的局限性。

2　超寬量程功率計校準(zhǔn)方案設(shè)計

針對目前普遍采用的功率指示器校準(zhǔn)方法存在的弊端，提出利用實驗室現(xiàn)有的SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)，配合經(jīng)過精確定標(biāo)的衰減器組成量程寬、通用性強(qiáng)的功率指示器校準(zhǔn)系統(tǒng)，解決長期以來制約功率指示器校準(zhǔn)水平提升的瓶頸問題。

2.1　整體方案設(shè)計

2.1.11mW參考輸出的校準(zhǔn)

對功率指示器1mW參考輸出校準(zhǔn)可利用SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)功率座M1110、精密功率計1806和數(shù)字電壓表3455A組成的高精度功率計來實現(xiàn)，如圖3所示。

被校功率指示器的1mW參考輸出處于開、關(guān)狀態(tài)時分別記下3455A數(shù)字電壓表的讀數(shù)V1、V2，通過式(1)[2]可計算出被校功率指示器的1mW參考輸出電平實測值。

圖3　1mW參考輸出校準(zhǔn)原理框圖

(1)

其中，Pref為被校功率指示器1mW參考輸出端口輸出功率的實測值；Ku為M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座在50MHz時的校準(zhǔn)因子；R為標(biāo)準(zhǔn)功率座內(nèi)的熱敏電阻值200Ω。

2.1.2指示器準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)

SYSTEMⅡ是一套精密功率傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，由微波信號源、電平控制器、標(biāo)準(zhǔn)功率座組成低反射系數(shù)等效信號源結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一套輸出高度穩(wěn)定的精密功率源，其功率范圍為0.5～10mW。將此精密標(biāo)準(zhǔn)功率源與一只經(jīng)過精密定標(biāo)的可變衰減器(0～60dB)連接，將微波信號源的輸出頻率設(shè)為50MHz，即可構(gòu)成一個輸出頻率為50MHz、輸出功率為-60～10dBm的定頻精密標(biāo)準(zhǔn)功率源。使用一個大動態(tài)范圍功率傳感器(如E4412A)作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，其在50MHz的校準(zhǔn)因子應(yīng)為已知或存儲于其自身的存儲器中，則可通過精密功率源的功率值和50MHz的校準(zhǔn)因子導(dǎo)出功率計輸入“功率值”，并與被校功率指示器的顯示值比較完成校準(zhǔn)。其原理如圖4所示：

圖4　基于SYSTEMII功率傳遞系統(tǒng)的功率指示器校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

具體校準(zhǔn)過程如下所示：

1)在50MHz頻率下，利用T矩陣法對可變衰減器進(jìn)行精密定標(biāo)測試，得出可變衰減量步進(jìn)值A(chǔ)10、A20、A30、A40、A50、A60和A70[3]；

2)按要求對SYSTEMⅡ進(jìn)行預(yù)熱和調(diào)整，信號源輸出頻率置于50MHz，輸出電平為10dBm，將被校功率計測試頻率置為50MHz，功率計會自動調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)傳感器內(nèi)50MHz的參考校準(zhǔn)因子，使用標(biāo)準(zhǔn)功率傳感器對功率計進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)，由于1mW參考并非絕對的1mW，設(shè)校準(zhǔn)系數(shù)為：

(2)

其中，Pref為通過式(1)測得的功率指示器1mW參考輸出的實測功率值。

3)將SYSTEMⅡ的直流替代功率置于10mW，84906L的衰減量置于50dB，對被校功率指示器-40dBm量程進(jìn)行準(zhǔn)確度測試，這時標(biāo)準(zhǔn)功率傳感器后端輸入被校功率計的等效功率為：

(3)

其中，Kc為F1109標(biāo)準(zhǔn)功率座在50MHz時的校準(zhǔn)因子。

4)設(shè)功率指示器的指示值為Pm，則被檢功率指示器在100nW量程時的實測值應(yīng)為：

PDUT=Pm-(Ps×106-100)(nW)

(4)

對于其他量程，可用上述類似方法得到其實測值。將被校功率指示器各個量程的實測值與其相應(yīng)的允許誤差極限相比較，即可判斷其是否超差。

2.2　不確定度評定

2.2.11mW輸出的不確定度評定

1mW輸出測量結(jié)果的不確定度包括由M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座引入的不確定度分量uB1、1806精密功率計引入的不確定度分量uB2、失配引入的不確定度分量uB3和接頭連接重復(fù)性、隨機(jī)影響引入的不確定度分量uA。具體不確定度分量見表1。

表1

不確定度分量來源評定方法分布kuI值uB1M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座引入的誤差B類正態(tài)20　0025uB21806精密功率計引入的誤差B類均勻30　00017uB3失配誤差B類反正弦20　0018uA接頭連接重復(fù)性、隨機(jī)影響A類0　001

因引入的各不確定度分量的因素互不相關(guān)，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取置信因子k=2，擴(kuò)展不確定度：U=k×uc=0.7％。

2.2.2功率指示器準(zhǔn)確度的不確定度評定(以功率輸出100nW為例說明)

功率指示器準(zhǔn)確度測量結(jié)果的不確定度包括由F1109標(biāo)準(zhǔn)功率座引入的不確定度分量uB1、1805直流替代功率引入的不確定度分量uB2、失配引入的不確定度分量uB3、可變衰減器衰減量引入的不確定度分量uB4、1mW校準(zhǔn)系數(shù)Kn引入的不確定度分量uB5和接頭連接重復(fù)性、隨機(jī)影響引入的不確定度分量uA。具體不確定度分量見表2。

表2

不確定度分量來源評定方法分布kuI值uB1F1109標(biāo)準(zhǔn)功率座引入的誤差B類正態(tài)20　25％uB21805直流替代誤差B類均勻30　087％uB3失配誤差B類反正弦20　62％uB4可變衰減器衰減量引入的誤差B類均勻30　069％uB51mW校準(zhǔn)系數(shù)Kn引入的誤差B類均勻30　32％uA接頭連接重復(fù)性、隨機(jī)影響A類0　058％

因引入的各不確定度分量的因素互不相關(guān)，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取置信因子k=2，擴(kuò)展不確定度：U=k×uc=1.5％。

2.3　實驗結(jié)果驗證

利用本方案所采用的方法對E4416A型功率指示器進(jìn)行校準(zhǔn)，所得數(shù)據(jù)和上級檢定給出的數(shù)據(jù)相比，比較結(jié)果如表3所示。

表3

標(biāo)稱值允許誤差下限允許誤差上限本方案測量結(jié)果上級計量技術(shù)機(jī)構(gòu)的測量結(jié)果10mW9　984mW10　08mW10　06mW10　03mW1mW0　995mW1　005mW1　000mW1　000mW100μW99　50μW100　5μW100　11μW100　0μW10μW9　900μW10　10μW9　996μW9　975μW1μW——————0　989μW———100nW——————102　56nW———10nW——————9　46nW———1nW——————0　92nW———

通過比較，本方案的測試值和上級計量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出的數(shù)據(jù)基本符合，證明本方案完全可以對功率指示器進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

3　結(jié)束語

利用SYSTEMII功率傳遞系統(tǒng)實現(xiàn)大量程功率指示器的校準(zhǔn)可在很大程度上突破傳統(tǒng)校準(zhǔn)方案的不足，較為容易地實現(xiàn)了校準(zhǔn)量程的向下拓展，如果配合功率放大器構(gòu)建微波中功率計量系統(tǒng)，則同樣可實現(xiàn)校準(zhǔn)量程的向上拓展。該方案是在充分利用了實驗室現(xiàn)有的設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，可省去購置不同公司量程校準(zhǔn)器的費用，對不同公司的不同功率指示器具有很強(qiáng)的通用性。鑒于SYSTEMII功率傳遞系統(tǒng)在國內(nèi)微波功率計量領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，因此基于SYSTEMII功率傳遞系統(tǒng)的新型超大量程功率指示器校準(zhǔn)方案具有良好的可推廣性。

[1]張池軍，王厚軍，曹佩韋，戴志堅.一類納瓦功率計的計量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28(4)

[2]國防科工委科技與質(zhì)量司.無線電電子學(xué)計量[M].北京：原子能出版社，2002

[3]孫新莉，陳鋼.RF/微波功率傳感器校準(zhǔn)方法的探討[J].計量技術(shù)，2007(6)

[4]閆道廣，于蒙.利用T矩陣法實現(xiàn)非程控步進(jìn)衰減器的測量[J].計測技術(shù)，2012(3)

[5]魏光楚.熱偶式功率計的技術(shù)指標(biāo)和它的測量不確定度[J].計量技術(shù)，1992(7)