某型裝備功率計(jì)校準(zhǔn)平臺(tái)研制與應(yīng)用

黃偉 高佳 趙嘉

摘要：針對(duì)某引進(jìn)型地面防空武器系統(tǒng)裝備上配置的X-95、X-56兩種型號(hào)功率計(jì)研制了功率計(jì)校準(zhǔn)平臺(tái)，解決外場(chǎng)不便于開(kāi)展儀器外檢的問(wèn)題，提高工程對(duì)該類(lèi)型功率計(jì)的自主激浪能力和外場(chǎng)保障水平。該校準(zhǔn)平臺(tái)的研制保證了該型裝備量值的準(zhǔn)確可靠，為軍用計(jì)量提供了良好的技術(shù)儲(chǔ)備、設(shè)計(jì)思想和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：功率計(jì)校準(zhǔn)平臺(tái)；計(jì)量；校準(zhǔn)裝置；標(biāo)準(zhǔn)

Keywords：power meter device；metering；calibrating apparatus；standard

0 引言

某引進(jìn)型地面防空武器系統(tǒng)裝備上配置了X-95、X-56兩種型號(hào)功率計(jì)，是地面防空武器系統(tǒng)裝備的核心測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量準(zhǔn)確性直接關(guān)系到裝備的戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)。

X-95功率計(jì)用于測(cè)量該型裝備測(cè)試口輸出的連續(xù)波功率和某測(cè)試口輸出的脈沖波功率。X-56功率計(jì)用于測(cè)量該型裝備本振輸出的連續(xù)波功率以及輸出的脈沖波功率?？紤]到頻率真值的保密安全性和外場(chǎng)不便于開(kāi)展儀器外檢的特殊性，為便于在外場(chǎng)開(kāi)展儀器計(jì)量，確保兩型功率計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性和武器裝備工作正常，保護(hù)操作人員人身安全，決定研制便攜式功率計(jì)校準(zhǔn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)功率計(jì)校準(zhǔn)的綜合化、智能化、通用化，提高功率計(jì)戰(zhàn)訓(xùn)的技術(shù)保障時(shí)效。

1 研制需求分析

1.1 兩型功率計(jì)性能參數(shù)

X-95、X-56兩種型號(hào)功率計(jì)如圖1所示，性能參數(shù)如下。

1）X-95功率計(jì)

a. 頻率范圍：C波段、X波段；

b. 功率測(cè)量范圍：10～40dBm；

c. 功率測(cè)量精度：±4%（C波段），±6%（X波段）；

d. 輸入電壓駐波比：≤1.15（C波段），≤1.3（X波段）。

2）X-56功率計(jì)

a. 頻率范圍：C波段、X波段；

b.功率測(cè)量范圍：10～43dBm；

c.功率測(cè)量精度：±4%（C波段），±6%（X波段）；

d.輸入電壓駐波比：≤1.15（C波段），≤1.3（X波段）。

1.2 兩型功率計(jì)校準(zhǔn)方法

1.3 確定校準(zhǔn)平臺(tái)功能和性能指標(biāo)

通過(guò)分析兩型功率計(jì)的校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)過(guò)程，明確校準(zhǔn)平臺(tái)的功能、技術(shù)指標(biāo)。

1）功能

a.能夠?qū)崿F(xiàn)五型功率計(jì)頻率范圍參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)量；

b.能夠?qū)崿F(xiàn)五型功率計(jì)功率測(cè)量范圍參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)量；

c.能夠?qū)崿F(xiàn)兩型功率計(jì)X-95、X-56輸入電壓駐波比參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)量；

d.具有五型功率計(jì)自動(dòng)測(cè)試流程，具有對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、計(jì)算以及判斷合格等級(jí)等功能；

e.具有射頻信號(hào)源、駐波測(cè)量?jī)x、功率計(jì)等綜合儀器功能；

f.具有系統(tǒng)資源自檢功能。

2）性能指標(biāo)

a.頻率范圍：C波段、X波段；

b.功率測(cè)量范圍：-86～-60dBm，Ⅲ檔；-60～0dBm，Ⅱ檔；0～43dBm，Ⅰ檔；

c.功率測(cè)量精度：≤±4%（0～43dBm），≤±3%（-60～0dBm），≤±4% （-86～-60dBm）；

d.校準(zhǔn)因數(shù)不確定度：≤10%（常溫下）；

e.輸入電壓駐波比：≤1.3。

2 研制方案

2.1 系統(tǒng)組成

校準(zhǔn)平臺(tái)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，硬件系統(tǒng)采用PXI總線模塊化儀器架構(gòu)，由嵌入式控制器、穩(wěn)幅信號(hào)發(fā)生器、駐波測(cè)量模塊、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)模塊等組成。嵌入式控制器是校準(zhǔn)平臺(tái)的核心，通過(guò)PXI總線控制其他儀器功能模塊，按照用戶設(shè)置配置儀器模塊，儀器模塊實(shí)現(xiàn)射頻微波信號(hào)的產(chǎn)生、頻率范圍、頻率分辨率、功率范圍、駐波比等參數(shù)的測(cè)量，并將所測(cè)參數(shù)回傳至嵌入式控制器，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的存儲(chǔ)、處理、顯示。軟件系統(tǒng)包括一鍵測(cè)試（X-95測(cè)試流程、X-56測(cè)試流程等）軟件單元、通用儀器軟件單元、擴(kuò)展流程測(cè)試軟件單元、用戶管理軟件單元、數(shù)據(jù)管理軟件單元、幫助、自檢自校準(zhǔn)軟件單元等。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

校準(zhǔn)平臺(tái)的硬件組成原理如圖4所示，由射頻開(kāi)關(guān)濾波組（含程控衰減器、功率放大器）、嵌入式控制器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、駐波測(cè)量模塊等硬件模塊組成，功能如下。

1）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、電調(diào)衰減器、定向耦合器、檢波器、穩(wěn)幅器組成功率穩(wěn)幅環(huán)路，實(shí)現(xiàn)低反射系數(shù)等效信號(hào)源，因此在功率校準(zhǔn)過(guò)程中消除了實(shí)際信號(hào)源反射系數(shù)的影響，減少了失配誤差，從而提高了校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，降低了由信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的不確定度分量。由于校準(zhǔn)平臺(tái)采用多頻段功放、開(kāi)關(guān)濾波器組，消除了由功放和噪聲產(chǎn)生的不需要的諧波分量和噪聲，保證了信號(hào)的純凈度，能夠降低由信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的不確定度分量。

2）駐波測(cè)量模塊測(cè)量X-95、X-56功率計(jì)、轉(zhuǎn)接頭、線纜的駐波比，駐波比代表被測(cè)件與轉(zhuǎn)接頭、測(cè)試電纜、功率計(jì)等的匹配程度。

3）標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)模塊測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出的功率，用于功率標(biāo)準(zhǔn)參考，標(biāo)準(zhǔn)小功率計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)中功率計(jì)可溯源至設(shè)計(jì)單位的小功率座、中功率座。

2.3 系統(tǒng)軟件組成

校準(zhǔn)平臺(tái)的軟件組成原理如圖5所示。軟件系統(tǒng)包含一鍵測(cè)試（X-95測(cè)試流程、X-56測(cè)試流程等）、通用儀器、流程測(cè)試單元、IETM、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、幫助、自檢自校準(zhǔn)等功能模塊。其中，一鍵測(cè)試模塊分為X-95測(cè)試流程、X-56測(cè)試流程等功能子模塊，這些功能子模塊按照被測(cè)功率計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)細(xì)分為不同的測(cè)試子函數(shù)，包括輸出頻率范圍、頻率測(cè)量精度、功率測(cè)量范圍、功率測(cè)量精度、輸入電壓駐波比等測(cè)量項(xiàng)目。通用儀器功能分為射頻信號(hào)源、頻譜分析儀、功率計(jì)、駐波測(cè)量?jī)x等虛擬儀器軟件功能。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

校準(zhǔn)平臺(tái)前面板由觸摸式顯示屏、操作鍵盤(pán)組成，側(cè)面板由適配接口、220V電源接口組成。

2.5 不確定度分析

采用穩(wěn)幅信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)等組成頻率范圍寬、功率動(dòng)態(tài)范圍大的校準(zhǔn)平臺(tái)技術(shù)方案，不確定度的分量如下。

1）標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)最大不確定度為1.6%，包含因子k=2，按B類(lèi)評(píng)定，則相對(duì)不確定度u1=0.01。

2）標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)讀數(shù)非線性引入的不確定度u2。

根據(jù)選擇功率計(jì)的說(shuō)明書(shū)，讀數(shù)非線性為±0.5%，視為均勻分布，按B類(lèi)評(píng)定，包含因子k=3^（0.5），u3=0.0029。

3）被檢功率計(jì)指示器非線性引入的不確定度u3。

3 方案實(shí)施

3.1 設(shè)備研制

依據(jù)方案論證與評(píng)審階段確定的專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)試原理設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等，進(jìn)行模塊采購(gòu)、模塊開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)加工、軟件開(kāi)發(fā)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)、校準(zhǔn)標(biāo)定等系列工作，完成了1套校準(zhǔn)平臺(tái)的研制，實(shí)物如圖6所示，設(shè)備組成如表1所示。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了第三方計(jì)量、被測(cè)功率計(jì)對(duì)接驗(yàn)證試驗(yàn)等關(guān)鍵測(cè)試過(guò)程及指標(biāo)的驗(yàn)證。

3.2 試用驗(yàn)證

2017年11月，對(duì)X-95、X-56功率計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，校準(zhǔn)平臺(tái)工作正常穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果合格，滿足研制任務(wù)書(shū)的要求。

3.3 建立測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

為保證科研生產(chǎn)和裝備修理中X-95、X-56功率計(jì)的量值準(zhǔn)確可靠，對(duì)該設(shè)備開(kāi)展建標(biāo)考核。

在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)后，進(jìn)行測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評(píng)定：取k=2，擴(kuò)展不確定度U=2×3.55%= 7.10%。

標(biāo)準(zhǔn)裝置送上級(jí)計(jì)量檢定技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定，給出檢定值y0，標(biāo)準(zhǔn)給出值y與上級(jí)機(jī)構(gòu)檢定值y0比較，直流電壓擴(kuò)展不確定度驗(yàn)證滿足要求。數(shù)據(jù)如表2所示。

4 技術(shù)難點(diǎn)

4.1 DDS+PLL的頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)

DDS+PLL的頻率合成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)源、頻譜分析儀低相位噪聲、高分辨率等指標(biāo)的關(guān)鍵。為了保證低相位噪聲、高分辨率的指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)中對(duì)頻率合成方式及鎖相環(huán)電路進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。DDS作為基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)FPGA控制電路，程控DDS捷變頻率、相位作為鎖相環(huán)的參考源。鎖相環(huán)采用超大規(guī)模集成數(shù)字鎖相環(huán)HMC701，以DDS為參考源，鎖定低相噪寬帶壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)低噪聲、低雜散、高純頻譜的本振信號(hào)。

4.2 功率計(jì)校準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)

功率計(jì)的校準(zhǔn)因子和功率采用交替比較法或傳遞標(biāo)準(zhǔn)法校準(zhǔn)。由于校準(zhǔn)平臺(tái)采用多頻段功放、開(kāi)關(guān)濾波器組，可消除由功放和噪聲產(chǎn)生的不需要的諧波分量和噪聲，保證信號(hào)的純凈度，降低由信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的不確定度分量。微波信號(hào)源、電調(diào)衰減器、定向耦合器、檢波器、穩(wěn)幅器組成功率穩(wěn)幅環(huán)路，實(shí)現(xiàn)低反射系數(shù)等效信號(hào)源，因此在功率校準(zhǔn)過(guò)程中消除了實(shí)際信號(hào)源反射系數(shù)的影響，減少了失配誤差，從而提高了校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，降低由信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的不確定度分量。穩(wěn)幅信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、被測(cè)功率計(jì)之間進(jìn)行信號(hào)同步，能夠保證在測(cè)試時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)與被測(cè)功率計(jì)測(cè)試的是同一幅度的功率信號(hào)；對(duì)同一功率輸出進(jìn)行測(cè)量，可以消除因定向耦合器耦合度等因素引起的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

該型校準(zhǔn)平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于外場(chǎng)功率計(jì)工作中，大大提高了兩型功率計(jì)快速校準(zhǔn)測(cè)試能力。該設(shè)備具有較高的擴(kuò)展空間，可在現(xiàn)有功率測(cè)試功能的基礎(chǔ)上添加多種虛擬儀器測(cè)試功能，以確保功率計(jì)校準(zhǔn)測(cè)試工作全面、扎實(shí)、有效。本次研制成果參加北京市質(zhì)量協(xié)會(huì)舉辦的第72次QC成果發(fā)布，獲得三等獎(jiǎng)，取得了較好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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