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      分析轉(zhuǎn)接頭在微波功率校準中的影響

      2014-09-26 08:22:04張喜洋邱新宇魯芳麗
      計量技術(shù) 2014年12期
      關(guān)鍵詞:失配端口功率

      張喜洋 曹 蕓 邱新宇 魯芳麗

      (北京航天飛行控制中心,北京 100094)

      0 引言

      微波功率是無線電計量的一項重要參數(shù),目前國內(nèi)計量領(lǐng)域多采用傳遞標準法進行量值傳遞,頻率已擴展至40GHz。由于高頻功率座多采用2.4mm或2.92mm接口,與小功率標準裝置的N型、3.5mm、波導接口不匹配,需采用轉(zhuǎn)接頭連接進行校準,由于轉(zhuǎn)接頭本身的插損及端口失配,不可避免的將引人測量誤差,本文主要建立轉(zhuǎn)接頭二端口網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量轉(zhuǎn)接頭插損,被測功率座輸人端口、標準功率座輸出端口和插人轉(zhuǎn)接頭兩端等四個端口反射系數(shù),計算轉(zhuǎn)接頭引人誤差修正,分析引人轉(zhuǎn)接頭對測量結(jié)果不確定度的影響。

      1 建立模型

      1.1 傳遞標準法

      目前國內(nèi)多采用傳遞標準法對功率座校準因子進行校準,功率座的校準因子Ku為定向耦合器旁臂上熱敏電阻座中替代功率Pu(功率指示器指示的功率)與人射在定向耦合器主臂輸出端ê射負載上的微波功率Pi之比[1]。其校準原理如圖1 所示。

      校準方法為:將標準功率座和標準功率指示器接在定向耦合器的旁臂上,將被測功率座和功率指示器接在定向耦合器的主臂上,信號源輸出適當?shù)墓β?,然后,分別在標準功率指示器和被測功率指示器上讀取功率Ps、Pu,再根據(jù)已知的標準功率座的校準因子Ks和反射系數(shù)ГGe、Гu,按下式計算出傳遞標準的校準因子:

      圖1 傳遞標準法校準原理

      可簡化為:

      式(1)中的,由于相位無法確定,不能帶到式中進行修正,將其作為不確定度的一項來源。該項所引人的誤差限用相位組合最壞情況下來考慮,即誤差限為。

      1.2 接入轉(zhuǎn)接頭后模型

      在功率座的校準中,被較功率座的接頭或傳輸線形式與標準功率座的不同時,必須使用一個轉(zhuǎn)接頭才能進行校準。其原理圖如圖2 所示:

      圖2 接人轉(zhuǎn)接頭后傳遞標準法校準原理

      對于轉(zhuǎn)接頭這個二端口網(wǎng)絡(luò),它的散射方程為:

      二端口兩端的邊界條件為:

      將式(6)代人式(4)得到

      這樣,從二端口網(wǎng)絡(luò)的端面1 看去的輸人反射系數(shù)Гin為:

      將式(9)代人式(5)得:

      將式(10)代人式(8)則得到由端面2 輸出的電壓波b2的表達式為:

      則人射到被校功率座端面的功率

      根據(jù)傳遞標準校準因子的表達式,可得到:

      從式(13)可以看到,校準因子的表示式中失配項發(fā)生了變化,表達式中還有轉(zhuǎn)接頭的傳輸特性S21,測量結(jié)果要進行修正,它的模值測量誤差要在不確定度分析中要考慮。對于失配項由于相位無法確定,該項所引人的誤差限用在相位組合最壞的情況下來考慮,當近似為1,忽略高階小量,可得到失配誤差的極限為:

      2 轉(zhuǎn)接頭S 參數(shù)測量

      早期對于轉(zhuǎn)接頭性能的測試通常采用“背靠背”的方法來測量,此法是基于轉(zhuǎn)接頭性能一致性的假設(shè),實際上由于加工公差、表面處理以及裝配工藝等原因,即使是同一批生產(chǎn)的轉(zhuǎn)接頭其性能也是各不相同的,采用這種方法只能粗略測量轉(zhuǎn)接頭性能參數(shù)[3]。

      UOSM校準技術(shù)使用開路器、短路器和匹配負載在測試端口進行完全的單端口校準,各端口標準件可根據(jù)其接頭類型和極性校準每個測試端口,該技術(shù)采用未知直通代替直通標準件,由于轉(zhuǎn)接頭為互易器件,能夠作為未知直通,故可采用這種技術(shù)測試轉(zhuǎn)接頭S 參數(shù)。

      2.1 UOSM校準原理

      UOSM校準法的兩端口誤差模型與傳統(tǒng)校準方法所用的誤差模型基本相同,但UOSM校準技術(shù)屬于7 項誤差模型。7 項誤差模型是基于帶有四個接收機的二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀進行定義的,它將前向和反向通道看作同一誤差模型(互易),并忽略端口之間的泄漏,從而將誤差項減至7 項[4]。采用UOSM校準法時,其簡化信號流圖如圖3 所示。

      圖3 UOSM校準誤差模型簡化信號流圖

      圖中,eij為誤差網(wǎng)絡(luò)的誤差參數(shù),SijA為被測件的實際S 參數(shù)。設(shè)誤差網(wǎng)絡(luò)X、Y的傳輸矩陣分別為TX、TY,被測件二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣為TA,被測件的傳輸參數(shù)由兩端口的誤差網(wǎng)絡(luò)傳遞到網(wǎng)絡(luò)分析儀,形成級聯(lián)的傳輸矩陣TM,可知:

      其中:

      UOSM校準模型中,一個實際網(wǎng)絡(luò)分析儀的所有八個e項中,e10、e01、e32和e23的值不會等于0,因此,可以將這四項中的某一項指定為不為零的任思值,這會改變波量的絕對值,但是不會影響相關(guān)的波量比值。例如,可假設(shè)e32=1,因此,該模型中共有7 個相互獨立的e項,稱為7 項誤差模型。在進行校準時,連接開路器、短路器、匹配負載、未知互易直通計算得到誤差修正系數(shù)從而得到被測件的S參數(shù)。

      2.2 轉(zhuǎn)接頭S 參數(shù)測量結(jié)果

      我們以2.4mm(陰)轉(zhuǎn)3.5mm(陽),編號16414的轉(zhuǎn)接頭為例,對其進行UOSM校準后得到S 參數(shù)如圖4 所示。

      圖4 轉(zhuǎn)接頭S 參數(shù)測量結(jié)果

      3 校準結(jié)果

      我們以功率座8487A(編號MY41092576)為例,對其進行校準。根據(jù)式(13)可得修正因子為,對測量結(jié)果進行修正后得到校準結(jié)果如表1所示:

      我們可以看出,修正結(jié)果更接近于出廠值。此外轉(zhuǎn)接頭的引人對校準結(jié)果的影響還是相當大的,其值隨頻率增高而增加,在26GHz時最大達到1%。

      表1 測量值與出廠值比較

      4 不確定度分析

      測量結(jié)果不確定度一般由若干分量組成,對被測量進行多次測量得到實驗標準偏差的方法為A類評定。根據(jù)有關(guān)信息估計的先驗概率分布得到標準偏差估計值的方法為B類評定[5]。

      4.1 A類評定

      測量重復性引人的不確定度分量uA:

      4.2 B類評定

      1)標準功率座的校準因子引人的不確定度uB1:上級出具檢定證書中給出的擴展不確定度a=1.2%~3.0%,k=2,則

      2)1805 示值準確度引人的不確定度uB2:在1mW 校準時,1805 示值準確度為±0.6%,服從均勻分布,其中a2=0.6%,k2=,則

      3)標準功率座熱敏電阻不平衡所引人的不確定度uB3:熱敏電阻不平衡引人的誤差為±0.1%,以等概率落在此范圍內(nèi),服從均勻分布,其中a3=0.1%,k3=,則

      4)標準功率座的校準因子隨時間的漂移所引人的不確定度uB4:標準功率座隨時間變化引人的誤差為±0.1%,以等概率落在此范圍內(nèi),服從均勻分布,其中a4=0.1%,k4=,則

      5)標準功率座功分器對稱性變化引人的不確定度uB5:標準功率座功分器對稱性變化引人的誤差為±0.05%,以等概率落在此范圍內(nèi),服從均勻分布,其中a5=0.05%,k5=,則

      6)連接被校功率座的功率計直流替代功率引人的不確定度uB6:連接被校功率座的功率計直流替代功率測量誤差為±0.8%,按均勻分布,其標準不確定度為,其中a6=0.8%,k6=,則

      7)轉(zhuǎn)接頭引人的不確定度uB7:轉(zhuǎn)接頭傳輸系數(shù)測量結(jié)果擴展不確定度為0.0016,k=2,則

      8)失配引人的標準不確定度uB8:有前面式(14)可知失配誤差的極限為б=±2,標準功率座輸出端的反射系數(shù)=0.02~0.05,被測功率座輸人端反射系數(shù)=0.02~0.07,所以失配引人的誤差△=±(0.001~0.007),且服從反正弦分布。其中a7=0.1%~0.7%,k7=,則

      因uB7靈敏系數(shù)為2,所以合成標準不確定度:

      擴展不確定度:U=kuc=1.7%~3.4%(k=2)

      5 結(jié)束語

      本文對功率座校準因子測量原理進行了研究,解決了功率座校準因子校準中接人轉(zhuǎn)接頭引人的誤差、失配、不確定度等問題。該方法可作為通用方法應用到功率座校準中,具有一定的實用價值。

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