基于SYSTEMⅡ的新型微波中功率計(jì)量系統(tǒng)

閆道廣，陳志宇

(1.北京理工大學(xué)，北京 100081;2.中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

隨著大型雷達(dá)、無線通信等裝備的大量應(yīng)用，對微波中、大功率計(jì)量的需求日益增多，目前，各計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)普遍采用傳統(tǒng)的中功率計(jì)量方法開展工作，但受制于方法的“先天缺陷”，精度普遍不高。SYSTEMⅡ型微波功率傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)是美國TEGAM公司的產(chǎn)品，該系統(tǒng)利用單定向耦合器法的校準(zhǔn)原理，可實(shí)現(xiàn)各種通過式及終端式小功率傳感器的自動校準(zhǔn)。本文通過對傳統(tǒng)中功率計(jì)量方法的研究分析，本文提出一種新型的微波中功率計(jì)量系統(tǒng)，借鑒SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)低反射等效信號源結(jié)構(gòu)，通過對輸出功率電平的閉環(huán)穩(wěn)幅控制實(shí)現(xiàn)各種中功率傳感器的校準(zhǔn)，與傳統(tǒng)方法相比，具有穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)勢[1－3]。

1 系統(tǒng)構(gòu)建方案

傳統(tǒng)的中功率計(jì)量方法，一般有交替比較法、衰減器法、定向耦合器法三種，形式上分為采用閉環(huán)控制回路和不采用閉環(huán)反饋控制回路兩種[4]。若組成閉環(huán)反饋回路，可充分利用低反射系數(shù)等效信號源結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定，失配誤差小、精度有保證，但需要配備PIN調(diào)制器，系統(tǒng)構(gòu)建存在一定難度;若不構(gòu)成閉環(huán)控制回路，由于功率放大器的增益隨著頻率的變化有著較大的變化，容易造成以下兩個(gè)方面的問題:一是在變換不同的頻率點(diǎn)時(shí)，需要根據(jù)該頻點(diǎn)的增益值設(shè)定微波信號源輸出電平，稍有不慎就容易導(dǎo)致功率放大器的輸出信號過大使被測功率傳感器過載甚至損壞，增大了設(shè)備安全的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)反復(fù)地調(diào)整信號源輸出電平增加了測試工作的繁瑣程度;二是功率放大器輸出信號穩(wěn)定性差，失配誤差較大，校準(zhǔn)難以達(dá)到高的精度。

通過對SYSTEMⅡ型微波功率傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的構(gòu)成原理以及微波中功率計(jì)量方法的分析研究，在現(xiàn)有的SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，提出了基于SYSTEMⅡ的微波中功率計(jì)量方案。如圖1所示。新型的微波中功率計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低反射系數(shù)等效信號源結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的輸出電平可自動穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的輸出功率值，無須頻繁調(diào)整信號源的輸出電平，等效信號源輸出端反射系數(shù)僅由定向耦合器的性能決定，可以在一定程度上減少失配誤差[5－7]。

圖1 使用SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)進(jìn)行中功率校準(zhǔn)原理框圖

該方案基于交替比較法的原理，微波信號經(jīng)功率放大器放大后，通過一個(gè)高耦合度的定向耦合器，該耦合器的耦合輸出端通過一個(gè)可變衰減器后接至M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座，通過射頻控制器后形成一個(gè)閉環(huán)的反饋回路，即微波信號源、中功率放大器、定向耦合器、可變衰減器、功率座、射頻控制器如圖1連接，構(gòu)成了低反射系數(shù)等效信號源結(jié)構(gòu) (圖1中虛線框所示)，在耦合器的主臂輸出端口構(gòu)成一個(gè)輸出信號電平穩(wěn)定的等效信號源。通過調(diào)節(jié)可變衰減器的衰減量值來調(diào)節(jié)耦合器輸出到M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座信號電平的大小，從而通過1805A射頻控制器控制等效信號源輸出電平的大小[8－10]。

由于定向耦合器在不同功率量值的耦合度不具規(guī)律性，所以不易通過M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座和定向耦合器的耦合度對耦合器主臂輸出端的功率量值進(jìn)行定度，只是提供一個(gè)穩(wěn)定的中功率源，以定向耦合器的主臂輸出端作為測試端面。對于配置完整的SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)，可利用其組成部分中的M1110終端式標(biāo)準(zhǔn)功率座和雙橋高精度功率計(jì)，配合中功率衰減器、直流數(shù)字電壓表構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)中功率計(jì)來校準(zhǔn)被校功率座。其中標(biāo)準(zhǔn)功率座M1110的校準(zhǔn)因子由上級計(jì)量檢定部門給出。對于沒有配置M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座的情況，可以采用普通的小功率計(jì) (如E4412A+E4416)配合中功率衰減器構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)中功率計(jì)，只是精度略低于M1110構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)中功率計(jì)。

當(dāng)?shù)刃盘栐摧敵龆丝谶B接的是M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座和標(biāo)準(zhǔn)中功率衰減器構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)中功率計(jì)時(shí)，則入

式中:A為衰減器的校準(zhǔn)值;R為200 Ω;Ks為M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座的校準(zhǔn)因子。

對于采用普通小功率計(jì)的系統(tǒng)，Pi就是功率指示器的示值經(jīng)與中功率衰減器衰減量計(jì)算后的功率值。

當(dāng)接上被校的中功率傳感器時(shí)，在對應(yīng)的功率指示器上讀出功率示值Pu，即可求得被校中功率傳感器的校準(zhǔn)因子 Ku，計(jì)算公式[5]為射到標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)的功率值Pi可由直流數(shù)字電壓表讀數(shù)、M1110功率座的校準(zhǔn)因子和衰減器的衰減值計(jì)算而得[5]。當(dāng)1805A的射頻開關(guān)處于“OFF”狀態(tài)時(shí)，在電壓表上讀取電壓值V1，當(dāng)其射頻開關(guān)處于“ON”狀態(tài)時(shí)，待1805A平衡指示重新回到零之后，由電壓表上讀取電壓V2，則有

2 系統(tǒng)性能分析

實(shí)際測試中，系統(tǒng)的主要設(shè)備組成如表1所示。

2.1 頻率范圍

系統(tǒng)的頻率范圍主要取決于微波信號源的頻率范圍和功率放大器的頻率范圍。根據(jù)表1的設(shè)備技術(shù)性能分析，該系統(tǒng)的頻率范圍為80 MHz～18 GHz。

2.2 功率范圍

對于功率的測試范圍調(diào)整，可以通過調(diào)整步進(jìn)衰減器的量值來調(diào)節(jié)。實(shí)際測試中，定向耦合器直接采用功率放大器的Forward監(jiān)控輸出端口 (耦合度約為40 dB)，可變衰減器采用Agilent公司8494B步進(jìn)衰減器。當(dāng)設(shè)定微波信號源輸出電平為5 dBm時(shí)，通過調(diào)整可變衰減器的衰減量，閉環(huán)控制回路鎖定后，可使等效信號源穩(wěn)定輸出在39.5～46.5 dBm范圍內(nèi)的若干電平點(diǎn)上，絕對功率相當(dāng)于9～45 W，基本上滿足了市場上常見中功率傳感器校準(zhǔn)的電平需求。如表2所示。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成

表2 等效信號源輸出電平設(shè)置表

通過改變1805A設(shè)置的直流替代功率值，可以組合變化出更多不同的電平點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際測試，系統(tǒng)的功率范圍為1～40 W。

使用手動調(diào)節(jié)的步進(jìn)式衰減器，由于調(diào)節(jié)過程中是機(jī)械連接，會出現(xiàn)瞬間斷開的現(xiàn)象，結(jié)果是等效信號源輸出電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)想值，容易對被測器件造成損壞，需要特別注意。如果換為程控可變衰減器，如Agilent公司的8494H，則可杜絕這一問題。如果使用連續(xù)可調(diào)的衰減器，即可使等效信號源的輸出電平連續(xù)可調(diào)。

2.3 校準(zhǔn)因子的測量不確定度

根據(jù)新型微波中功率計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成原理，結(jié)合實(shí)際重復(fù)性考核測試結(jié)果，對系統(tǒng)不確定度分析如表3所示。

計(jì)量系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

擴(kuò)展不確定度

由表3中給出的各不確定度分量值，經(jīng)計(jì)算可得系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度為3.7% ～6.3%(k=2)。

表3 系統(tǒng)不確定度來源分析

3 實(shí)際測試驗(yàn)證

應(yīng)用本文構(gòu)建的中功率計(jì)量系統(tǒng)，對現(xiàn)有的hp8481B型功率傳感器進(jìn)行了多次測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)際測試結(jié)果

由表4可以看到，采用本文提出的測試方案得到的測試結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的測量方法。并且經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，說明采用該方案開展微波中功率傳感器的計(jì)量測試基本可行。

4 結(jié)束語

基于SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)的新型微波中功率計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)建方案，在一定程度上提高了中功率計(jì)量的精度和穩(wěn)定性。擁有SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)只需購置中功率計(jì)量所必需的中功率放大器、衰減器、定向耦合器等設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)微波中功率計(jì)量，充分挖掘了現(xiàn)有儀器的潛能，可操作性強(qiáng)，性能價(jià)格比高。

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