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      微波功率的測量誤差分析

      2021-10-13 08:14:36管華夏
      科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年11期
      關(guān)鍵詞:誤差分析測量

      管華夏

      摘要:伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快,頻譜資源已經(jīng)開始向射頻微波段不斷擴(kuò)展,而對于射頻微波系統(tǒng)而言,放大器的放大增益、振蕩源的輸出功率以及接收機(jī)的靈敏程度均需要對微波系統(tǒng)的實際功率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。因此本文針對于微波功率的測量誤差展開重點分析,并研究解決該類誤差的具體方法。

      關(guān)鍵詞:微波功率;測量;誤差分析

      一.引言

      在所有表征微波信號的參數(shù)當(dāng)中,微波功率是最為核心的一個,它不僅能夠表明系統(tǒng)的能量傳輸情況,還能夠?qū)崿F(xiàn)對于微波系統(tǒng)的功能衡量。關(guān)于微波系統(tǒng)的設(shè)計與制造一直同微波功率密切相關(guān),因此微波功率的測量非常關(guān)鍵。目前最為常用的測量工具為射頻微波功率計,在進(jìn)行射頻技術(shù)教學(xué)研究以及微波產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)調(diào)試等領(lǐng)域應(yīng)用均十分普遍,根據(jù)微波功率的測量結(jié)果便可以有針對性的解決相關(guān)技術(shù)問題。功率測量通常情況下與其應(yīng)用環(huán)境有較大關(guān)系,微波信號的頻率范圍、頻譜功率以及調(diào)制形式等因素均會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,尤其是微波信號的功率電平。只有認(rèn)真熟悉微波系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行功率測量的方法,了解其具體測量原理,并針對輸入信號的頻譜以及調(diào)制形式展開深入了解,才能夠最終在測量階段得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

      二.微波功率測量標(biāo)準(zhǔn)

      由于最近幾年微波相關(guān)理論在不斷完善,硬件技術(shù)也取得了長足的發(fā)展,因此微波系統(tǒng)整體的設(shè)備類型與數(shù)量大幅度增加,在這樣的背景下,關(guān)于微波功率、頻率、品質(zhì)因數(shù)等諸多參數(shù)的測量設(shè)備開始逐漸建立,在制作、生產(chǎn)、調(diào)試流程當(dāng)中逐漸實現(xiàn)了儀器標(biāo)準(zhǔn)化。對于微波測量的諸多項目而言,微波功率的測量無疑占據(jù)著非常重要的位置,尤其是在微波線路以及微波管當(dāng)中。目前關(guān)于微波功率的測量,范圍可以達(dá)到10-710瓦,測量精度也獲得了大幅度提升,可以達(dá)到0.1%,除此之外,微波測量的功率頻譜可以達(dá)到100千兆赫。在實際進(jìn)行微波測量時,主要分為低頻和高頻兩種情況。處于低頻情況時,主要對電路當(dāng)中的電流以及電壓進(jìn)行測量,最終確定功率,而當(dāng)處于高頻情況時,主要的測量方法是將電路當(dāng)中的電磁能進(jìn)行轉(zhuǎn)化,得到光、熱、力等能量形式再進(jìn)行功率測量。近年來關(guān)于微波功率測量的標(biāo)準(zhǔn)問題正在不斷深入,它與頻率測量標(biāo)準(zhǔn)有所不同,因而隨著研究的不斷推進(jìn)而更加精進(jìn)。最初的微波小功率標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種測定方法,分別是電磁輻射有質(zhì)效應(yīng)方法以及電磁波焦耳熱方法。這兩種方法對于微波功率的測定以直流電量作為依據(jù),在實際測量時具有較高的精度,因此作為功率測量的標(biāo)準(zhǔn)具有有一定的科學(xué)性。而伴隨著研究的不斷深入,可以發(fā)現(xiàn)利用波導(dǎo)內(nèi)部反射元件上的電磁波作用進(jìn)行壓力測量而研制出的微波功率計,精度可以達(dá)到1%。因此目前在進(jìn)行微波功率測量時,使用最為廣泛的便是微波功率計。

      三.微波功率測量中的常見誤差

      3.1 微波測量的誤差來源

      根據(jù)微波測量的工程理論以及實例經(jīng)驗,可以分析得出,在進(jìn)行功率測量的過程當(dāng)中,主要的誤差來源種類如下。分別為失配誤差,測量儀器固有誤差、被測系統(tǒng)不穩(wěn)定所造成的誤差、同軸接頭的誤差、環(huán)境誤差以及操作人員在測量過程中形成的誤差。在這六大類誤差當(dāng)中,前三種誤差是進(jìn)行微波功率測量時的主要誤差來源,而后三種誤差的對于測量結(jié)果的影響較小,通常情況下可以忽略不計。

      3.2 誤差分析

      由于系統(tǒng)失配造成的測量誤差是所有誤差當(dāng)中最復(fù)雜也是最核心的一種,因此對失配誤差進(jìn)行分析時難度較大。在實際進(jìn)行功率測量時,負(fù)載吸收的功率即為微波功率計的測量值指示值,但是由于被測系統(tǒng)以及功率探頭的反射系數(shù)均不為0,因此在測量過程中必定會形成失配誤差。無反射匹配狀態(tài)下得到的功率數(shù)值同實際進(jìn)行測量得到的功率數(shù)值誤差以及二者之間的相位誤差統(tǒng)稱為失配誤差,形成該誤差的最主要原因便是系統(tǒng)不匹配。

      四.微波功率的誤差解決辦法

      4.1 接入90°移相器消除失配誤差

      在系統(tǒng)中接入90度移相器,取0度以及90度相位狀態(tài)下對應(yīng)的功率值,二者的平均值作為測量值便可以消除測量過程的失配誤差。

      4.2 其他減小誤差的方法

      通過上述理論闡述可以發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行微波功率測量時,失配誤差是非常典型并且普遍的測量誤差,但是若不及時進(jìn)行修正與調(diào)整,后期對于測量結(jié)果造成的影響還是較大的,因此在這里提出其他能夠減小測量誤差的方法,以提升最終測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

      (1)減小使用功率計的本身的誤差

      這一方法需要在功率測量過程中由操作人員進(jìn)行人為調(diào)整,在功率測量系統(tǒng)中將功率計指示位置同標(biāo)準(zhǔn)功率計調(diào)節(jié)一致,然后再進(jìn)行功率測量,此時結(jié)果的準(zhǔn)確性會大幅度提高。

      (2)根據(jù)被測源頻率選擇合適的校準(zhǔn)因子

      在進(jìn)行微波系統(tǒng)功率測量時,需要針對不同的被測源頻率,選擇不同的校準(zhǔn)因子,對失配系統(tǒng)完成校正,以減小測量誤差。

      五.結(jié)語

      微波功率在進(jìn)行測量時,若想要直接得到非常精確的測量結(jié)果難度非常大,因此在測量之前必須對微波功率的基本屬性以及測量過程可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行充分的理解與掌握,而后才能夠在測量時采取一定的處理措施,規(guī)避掉可能產(chǎn)生誤差的技術(shù)點,進(jìn)而得到較為理想的測量結(jié)果。若在測量過程中系統(tǒng)出現(xiàn)了接觸不良的情況,則功率能量的耗費(fèi)情況會非常巨大,嚴(yán)重的話還會造成被測微波源燒毀的情況,因此在進(jìn)行較大微波功率測量時需要特別注意解決系統(tǒng)接觸不良的問題。由此可見,在進(jìn)行功率測量時必須充分考慮到影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的各個因素,并根據(jù)不同的實際需要完成測量方式的選擇,以便在系統(tǒng)連接之后得到誤差較小的測量結(jié)果。除此之外,若針對失配系統(tǒng)進(jìn)行微波測量,可以在系統(tǒng)中插入設(shè)置移相器,調(diào)節(jié)其相位,功率數(shù)值也會隨之變化,根據(jù)功率的最大值與最小值之差便可以得到系統(tǒng)的失配度,若測量結(jié)果不滿足精度要求,便可以按照此失配度進(jìn)行失配調(diào)整。

      參考文獻(xiàn)

      [1]林光陽,李凌凌.微波功率校準(zhǔn)能力測量審核影響因素分析[J].計量與測試技術(shù),2020,47(08):74-76+79.

      [2]劉子銳.K波段微波輻射計設(shè)計與誤差分析[D].南京信息工程大學(xué),2020.

      [3]溫世仁,郝志坤,張正龍,王麗娟,楊靜.微波中功率測量技術(shù)發(fā)展綜述[J].宇航計測技術(shù),2020,40(02):8-13.

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