微波功率探頭的內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)

吳雪華，唐宗魁，李金山

（中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島）

引言

功率是表征微波信號(hào)特性的基本參數(shù)，功率的精確測(cè)量是微波測(cè)量中的重要環(huán)節(jié)。微波功率計(jì)是測(cè)量微波功率的基礎(chǔ)測(cè)量儀器，由主機(jī)和微波功率探頭組成。微波功率計(jì)配接峰值功率探頭即為峰值功率計(jì)，可用于測(cè)量雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、制導(dǎo)、導(dǎo)航、廣播電視、微波醫(yī)療設(shè)備等許多電子系統(tǒng)脈沖調(diào)制微波信號(hào)的多種幅度和時(shí)間參數(shù)，是表征脈沖調(diào)制信號(hào)特性的測(cè)量工具。

為保證微波功率測(cè)試的準(zhǔn)確度，在測(cè)試之前，需要對(duì)功率探頭和主機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，將功率探頭和主機(jī)定標(biāo)到功率標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的功率標(biāo)準(zhǔn)采取的方案是在功率計(jì)主機(jī)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)頻率固定、功率可變的校準(zhǔn)源，通過校準(zhǔn)操作將功率溯源到主機(jī)內(nèi)部校準(zhǔn)源。

本文介紹一種微波功率探頭的內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)，峰值功率探頭內(nèi)部帶有校準(zhǔn)電路。采用內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)，無需離開被測(cè)件，無需將探頭接到微波功率計(jì)主機(jī)即可校準(zhǔn)，無需斷開信號(hào)輸入即可校零，不但簡化了測(cè)試步驟，而且大大提高了峰值功率探頭的校準(zhǔn)速度，從而提高了測(cè)試效率。

1 傳統(tǒng)功率分析儀的校準(zhǔn)技術(shù)

傳統(tǒng)微波功率計(jì)采用的功率標(biāo)準(zhǔn)，是在功率計(jì)主機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)頻率為1 GHz，功率為-40 dBm～+20 dBm 可變的校準(zhǔn)源，校準(zhǔn)步進(jìn)為1dB/點(diǎn)，執(zhí)行一次校準(zhǔn)的時(shí)間需要120 s。

為實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，在微波功率計(jì)主機(jī)內(nèi)部的CPU 板上，需要專門設(shè)計(jì)如下電路：

（1） 專門設(shè)計(jì)產(chǎn)生1 GHz 的校準(zhǔn)源的微波電路；

（2） 為實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)源功率從-40 dBm 到+20 dBm 可變，還需要增加55 dB 的微波衰減電路；

（3） 為增加連續(xù)波功率探頭需要的50 MHz，0 dBm 的精密校準(zhǔn)源，還需要增設(shè)微波開關(guān)，以及各種控制電路，來選擇探頭校準(zhǔn)時(shí)所用的校準(zhǔn)源。

這些增加的電路和元器件，需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品成本和潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。由于校準(zhǔn)源在主機(jī)內(nèi)部，校準(zhǔn)時(shí)需要將功率探頭接到主機(jī)的校準(zhǔn)源輸出端口，校準(zhǔn)完成后從校準(zhǔn)源端口取下，再將功率探頭接到被測(cè)設(shè)備的端口，操作很不方便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。測(cè)試小信號(hào)需要校零時(shí)，還需要將信號(hào)源的輸入斷開，以防測(cè)試不準(zhǔn)或?qū)⑻筋^燒毀。校準(zhǔn)時(shí)需要從+20 dBm 開始，以1dB/點(diǎn)為步進(jìn)進(jìn)行校準(zhǔn)，一直校準(zhǔn)到-40 dBm，整個(gè)校準(zhǔn)過程需要約120 s，校準(zhǔn)時(shí)間很長。

2 微波功率探頭的內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)

微波功率探頭的內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)需要解決兩大難題：其一是探頭內(nèi)部功率標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)，其二是功率測(cè)量通道自動(dòng)校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。

2.1 微波功率探頭內(nèi)部功率標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

微波功率探頭內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)硬件電路由微波功率探頭、多芯電纜和主機(jī)功率測(cè)量通道三部分組成，如圖1 所示。

圖1 微波功率探頭內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)硬件原理

微波輸入信號(hào)IN 進(jìn)入正、負(fù)二極管檢波器對(duì)后，經(jīng)過二極管檢波，輸出電壓大小相同，方向相反的檢波電壓IN+、IN-，分別進(jìn)入高速開關(guān)1 和高速開關(guān)2 的1 腳。正常測(cè)量時(shí)高速開關(guān)1 和高速開關(guān)2 的1 和3導(dǎo)通，信號(hào)進(jìn)入對(duì)數(shù)放大器。對(duì)數(shù)放大器的動(dòng)態(tài)范圍為90 dB，經(jīng)過對(duì)數(shù)放大的信號(hào)進(jìn)入線性差分放大器。差分放大器作為信號(hào)傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)器，增強(qiáng)了信號(hào)的傳輸能力，將信號(hào)SIG+和SIG- 通過多芯電纜傳輸?shù)焦β视?jì)主機(jī)。

2.5 V 精密電壓源給14 位輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器提供2.5 V 的電壓參考，其誤差小于±1 mV，2.5 V 電壓參考在-40 ℃～+85 ℃之間溫度漂移小于3×10-6/℃，保證14 位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓DAC 范圍為0 V～2.5 V。N2 輸出的DAC 模擬電壓再通過精密輸入運(yùn)算放大器（詳見圖2），N1A 加外圍電路構(gòu)成反相器，使14 位D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行反向1：1 的放大，N1B 為射隨器，DAC模擬電壓經(jīng)過N1B、NA1，輸出大小相等、方向相反的直流信號(hào)，作為直流參考，用于功率的內(nèi)部校準(zhǔn)；

圖2 D/A 轉(zhuǎn)換器及精密輸入運(yùn)算放大器

串行電可擦除可編程存儲(chǔ)器(E2PROM)中保存了探頭的各種補(bǔ)償數(shù)據(jù)，包括自動(dòng)校準(zhǔn)中+20 dBm、0 dBm 對(duì)應(yīng)的DAC 值、二極管檢波器的線性、頻率響應(yīng)和溫度響應(yīng)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。

8 端口I2C 總線接口擴(kuò)展器，通過I2C 總線控制端口輸出狀態(tài)，分別用于控制高速開關(guān)1 和高速開關(guān)2 的選擇，并對(duì)14 位輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)進(jìn)行操作。

2.2 微波功率探頭內(nèi)部功率標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)

微波功率探頭生產(chǎn)完成之后，需要對(duì)探頭內(nèi)部的功率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定標(biāo)。內(nèi)部功率標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)采取的措施通過以下幾步完成：

（1） 如圖3 連接合成信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)探頭、微波功率計(jì)和待定標(biāo)功率探頭；

圖3 微波功率探頭內(nèi)部功率標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)

（2） 對(duì)功率探頭進(jìn)行線性、頻率響應(yīng)和溫度響應(yīng)的補(bǔ)償，并將補(bǔ)償數(shù)據(jù)寫入到E2PROM中；

（3） 設(shè)置信號(hào)發(fā)生器的頻率為1 GHz，分別設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出功率為可溯源國家標(biāo)準(zhǔn)的+20 dBm 和0 dBm；

（4） 將微波功率探頭接到信號(hào)發(fā)生器的輸出，設(shè)置微波功率探頭為功率測(cè)量模式，將高速開關(guān)1 和高速開關(guān)2 的1 和3 導(dǎo)通，分別記錄+20 dBm 和0 dBm 時(shí)測(cè)得的A/D 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的功率ADC 數(shù)據(jù)；

（5） 設(shè)置微波功率探頭為定標(biāo)模式，高速開關(guān)1和高速開關(guān)2 的2 和3 導(dǎo)通，采用二分逼近法設(shè)置14位輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器，使得定標(biāo)的ADC 數(shù)據(jù)分別逼近于測(cè)量模式下的+20 dBm 和0 dBm 的ADC 值；

（6） 分別記錄定標(biāo)+20 dBm 和0 dBm 的D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)置值，將+20 dBm 和0 dBm 的設(shè)置值存入到E2PROM中。

微波功率探頭經(jīng)過定標(biāo)之后，將0 dBm 對(duì)應(yīng)的DAC 值設(shè)置到14 位輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器中，再經(jīng)過精密運(yùn)算放大器放大，分別輸出到高速開關(guān)1 和高速開關(guān)2 的輸入端，此電壓將與微波功率探頭輸入的0 dBm 信號(hào)，經(jīng)過二極管檢波后的IN+、IN- 電壓相同，從而將微波功率探頭的0 dBm 功率參考溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)，同樣的+20 dBm也溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 功率測(cè)量通道自動(dòng)校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

在主機(jī)功率測(cè)量通道中，通道內(nèi)線性差分運(yùn)算放大器用于調(diào)整通道增益，不同的通道由于控制增益的電阻網(wǎng)絡(luò)本身存在一定的誤差，從而導(dǎo)致通道增益存在誤差，輸入功率越大，通道增益誤差的影響越大，為了保證任何一臺(tái)主機(jī)連接任何一個(gè)微波功率探頭的功率測(cè)量準(zhǔn)確度，需要對(duì)微波功率測(cè)量進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)。

微波功率測(cè)量進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)采用如下措施：

（1） 主機(jī)讀取探頭的E2PROM 中有關(guān)線性、頻率響應(yīng)和溫度響應(yīng)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，+20 dBm 和0 dBm的DAC 設(shè)定值，在主機(jī)中生成探頭線性補(bǔ)償數(shù)據(jù)表、探頭頻響補(bǔ)償數(shù)據(jù)表和探頭溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)表；

（2） 將高速開關(guān)1 和高速開關(guān)2 的2 和3 導(dǎo)通，分別設(shè)置14 位輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器的DAC 值為+20 dBm 和0 dBm 定標(biāo)的DAC 值；

（3） 分別記錄DAC 設(shè)置為+20 dBm 和0 dBm時(shí)的采樣ADC 值，分別定義為標(biāo)準(zhǔn)ADC+20dBm，標(biāo)準(zhǔn)ADC+0dBm；

（4） 在探頭線性補(bǔ)償表格中，查找+20 dBm 和0 dBm 對(duì)應(yīng)的ADC 值A(chǔ)DC+20dBm，標(biāo)準(zhǔn)ADC+0dBm；

（5） 計(jì)算該主機(jī)ADC 與探頭線性補(bǔ)償數(shù)據(jù)ADC 的線性誤差E：

（6） 在實(shí)際測(cè)量中，需要將測(cè)得的ADC 值（實(shí)測(cè)ADC）進(jìn)行誤差修正，得到線性修正后的ADC 值（修正ADC）：

（7） 得到線性修正過的ADC 值（修正ADC）后，以修正ADC 為基準(zhǔn)，在探頭線性補(bǔ)償表格中查表得到準(zhǔn)確的功率值。

經(jīng)過內(nèi)部校準(zhǔn)之后的功率計(jì)主機(jī)和功率探頭，可保證功率測(cè)量準(zhǔn)確度在±0.05dB 的范圍之內(nèi)，達(dá)到與外接校準(zhǔn)源校準(zhǔn)同樣的準(zhǔn)確度指標(biāo)。

2.4 自動(dòng)定標(biāo)和校準(zhǔn)

微波功率探頭在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試中，如果用上述方法手動(dòng)定標(biāo)和調(diào)試，需要花費(fèi)較多的時(shí)間執(zhí)行復(fù)雜的步驟。為了改善可生產(chǎn)性，提高效率，作者特意編寫了調(diào)試軟件，通過GPIB 接口或網(wǎng)口將計(jì)算機(jī)與圖3 中的信號(hào)發(fā)射器、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、調(diào)試功率計(jì)連接起來，用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，運(yùn)行調(diào)試軟件，點(diǎn)擊開始建標(biāo)，對(duì)探頭內(nèi)部功率標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)定標(biāo)。完成定標(biāo)后，點(diǎn)擊開始校準(zhǔn)，對(duì)功率測(cè)量通道自動(dòng)校準(zhǔn)。軟件平臺(tái)界面如圖4所示。

圖4 軟件平臺(tái)界面

3 結(jié)論

本文提出了微波功率探頭內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)的完整解決方案，通過采用比較成熟的數(shù)據(jù)采集、功率校準(zhǔn)和功率補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，在大幅提高測(cè)量速度的同時(shí)，保證測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的峰值功率探頭相比，采用功率探頭內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)，無需離開被測(cè)件即可校準(zhǔn)，無需斷開信號(hào)輸入即可校零，使得峰值功率探頭的自動(dòng)校準(zhǔn)速度由120 s 提升至2 s。