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(guó)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(wú)線通信等裝備的大量應(yīng)用，對(duì)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(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)是美國(guó)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(guò)式及終端式小功率傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)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(hào)源結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)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(shì)[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(hào)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(wèn)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(hào)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(hào)過(guò)大使被測(cè)功率傳感器過(guò)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(hào)源輸出電平增加了測(cè)試工作的繁瑣程度;二是功率放大器輸出信號(hào)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(guò)對(duì)SYSTEMⅡ型微波功率傳感器自動(dòng)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(hào)源結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的輸出電平可自動(dòng)穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的輸出功率值，無(wú)須頻繁調(diào)整信號(hào)源的輸出電平，等效信號(hào)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(hào)經(jīng)功率放大器放大后，通過(guò)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(guò)一個(gè)可變衰減器后接至M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座，通過(guò)射頻控制器后形成一個(gè)閉環(huán)的反饋回路，即微波信號(hào)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(hào)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(hào)電平穩(wěn)定的等效信號(hào)源。通過(guò)調(diào)節(jié)可變衰減器的衰減量值來(lái)調(diào)節(jié)耦合器輸出到M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座信號(hào)電平的大小，從而通過(guò)1805A射頻控制器控制等效信號(hào)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(guò)M1110標(biāo)準(zhǔn)功率座和定向耦合器的耦合度對(duì)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(cè)試端面。對(duì)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(lái)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(jí)計(jì)量檢定部門給出。對(duì)于沒(méi)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?hào)源輸出端口連接的是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(duì)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(duì)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(cè)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(hào)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(duì)于功率的測(cè)試范圍調(diào)整，可以通過(guò)調(diào)整步進(jìn)衰減器的量值來(lái)調(diào)節(jié)。實(shí)際測(cè)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(hào)源輸出電平為5 dBm時(shí)，通過(guò)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(hào)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(duì)功率相當(dāng)于9～45 W，基本上滿足了市場(chǎng)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(hào)源輸出電平設(shè)置表

通過(guò)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(cè)試，系統(tǒng)的功率范圍為1～40 W。

使用手動(dòng)調(diào)節(jié)的步進(jìn)式衰減器，由于調(diào)節(jié)過(guò)程中是機(jī)械連接，會(huì)出現(xiàn)瞬間斷開的現(xiàn)象，結(jié)果是等效信號(hào)源輸出電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)想值，容易對(duì)被測(cè)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(wèn)題。如果使用連續(xù)可調(diào)的衰減器，即可使等效信號(hào)源的輸出電平連續(xù)可調(diào)。

2.3 校準(zhǔn)因子的測(cè)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(cè)試結(jié)果，對(duì)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(lái)源分析

3 實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證

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

表4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

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

4 結(jié)束語(yǔ)

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(gòu)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。

[1]馮新善，高頻.微波功率的計(jì)量測(cè)試 [M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1987.

[2]李新建.脈沖峰值與連續(xù)波中功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

[3]馮新善.無(wú)線電基本參量 [M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1987.

[4]國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司.無(wú)線電電子學(xué)計(jì)量:上冊(cè)[M].北京:原子能出版社，2002.

[5]陳薇，解駿.基于SYSTEM－Ⅱ的微波中功率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].艦船電子對(duì)抗，2009，32(2):115－117.

[6]齊偉偉.基于負(fù)載/源牽引法的微波大功率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2007.

[7]蘇立軒.寬帶國(guó)家功率基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)研究 [D].北京:北京交通大學(xué)，2008.

[8]陳成仁，崔殿森.實(shí)用寬帶微波同軸中功率傳遞系統(tǒng)[J].現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，1993(5):27－33.

[9]余振坤，曲文英.射頻大功率測(cè)量誤差分析[J].微波學(xué)報(bào)，2006，22(3):55－61.

[10]張貴軍.微波大功率信號(hào)測(cè)量不確定度分析 [J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2000(5):14－16.