微波功率探頭的內部校準技術

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特性的基本參數，功率的精確測量是微波測量中的重要環節。微波功率計是測量微波功率的基礎測量儀器，由主機和微波功率探頭組成。微波功率計配接峰值功率探頭即為峰值功率計，可用于測量雷達、電子對抗、通信、制導、導航、廣播電視、微波醫療設備等許多電子系統脈沖調制微波信號的多種幅度和時間參數，是表征脈沖調制信號特性的測量工具。

為保證微波功率測試的準確度，在測試之前，需要對功率探頭和主機進行校準，將功率探頭和主機定標到功率標準。傳統的功率標準采取的方案是在功率計主機內部設置一個頻率固定、功率可變的校準源，通過校準操作將功率溯源到主機內部校準源。

本文介紹一種微波功率探頭的內部校準技術，峰值功率探頭內部帶有校準電路。采用內部校準技術，無需離開被測件，無需將探頭接到微波功率計主機即可校準，無需斷開信號輸入即可校零，不但簡化了測試步驟，而且大大提高了峰值功率探頭的校準速度，從而提高了測試效率。

1 傳統功率分析儀的校準技術

傳統微波功率計采用的功率標準，是在功率計主機內部產生一個頻率為1 GHz，功率為-40 dBm～+20 dBm 可變的校準源，校準步進為1dB/點，執行一次校準的時間需要120 s。

為實現校準，在微波功率計主機內部的CPU 板上，需要專門設計如下電路：

（1） 專門設計產生1 GHz 的校準源的微波電路；

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

（3） 為增加連續波功率探頭需要的50 MHz，0 dBm 的精密校準源，還需要增設微波開關，以及各種控制電路，來選擇探頭校準時所用的校準源。

這些增加的電路和元器件，需要復雜的電路設計，提高了產品成本和潛在的質量風險。由于校準源在主機內部，校準時需要將功率探頭接到主機的校準源輸出端口，校準完成后從校準源端口取下，再將功率探頭接到被測設備的端口，操作很不方便，費時費力。測試小信號需要校零時，還需要將信號源的輸入斷開，以防測試不準或將探頭燒毀。校準時需要從+20 dBm 開始，以1dB/點為步進進行校準，一直校準到-40 dBm，整個校準過程需要約120 s，校準時間很長。

2 微波功率探頭的內部校準技術

微波功率探頭的內部校準技術需要解決兩大難題：其一是探頭內部功率標準的設計與校準，其二是功率測量通道自動校準的設計。

2.1 微波功率探頭內部功率標準的設計

微波功率探頭內部自動校準硬件電路由微波功率探頭、多芯電纜和主機功率測量通道三部分組成，如圖1 所示。

圖1 微波功率探頭內部自動校準硬件原理

微波輸入信號IN 進入正、負二極管檢波器對后，經過二極管檢波，輸出電壓大小相同，方向相反的檢波電壓IN+、IN-，分別進入高速開關1 和高速開關2 的1 腳。正常測量時高速開關1 和高速開關2 的1 和3導通，信號進入對數放大器。對數放大器的動態范圍為90 dB，經過對數放大的信號進入線性差分放大器。差分放大器作為信號傳輸的驅動器，增強了信號的傳輸能力，將信號SIG+和SIG- 通過多芯電纜傳輸到功率計主機。

2.5 V 精密電壓源給14 位輸出的D/A 轉換器提供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算放大器（詳見圖2），N1A 加外圍電路構成反相器，使14 位D/A 轉換器的輸出電壓進行反向1：1 的放大，N1B 為射隨器，DAC模擬電壓經過N1B、NA1，輸出大小相等、方向相反的直流信號，作為直流參考，用于功率的內部校準；

圖2 D/A 轉換器及精密輸入運算放大器

串行電可擦除可編程存儲器(E2PROM)中保存了探頭的各種補償數據，包括自動校準中+20 dBm、0 dBm 對應的DAC 值、二極管檢波器的線性、頻率響應和溫度響應的補償數據等。

8 端口I2C 總線接口擴展器，通過I2C 總線控制端口輸出狀態，分別用于控制高速開關1 和高速開關2 的選擇，并對14 位輸出的D/A 轉換器的控制信號進行操作。

2.2 微波功率探頭內部功率標準的定標

微波功率探頭生產完成之后，需要對探頭內部的功率標準進行定標。內部功率標準定標采取的措施通過以下幾步完成：

（1） 如圖3 連接合成信號源、標準功率計、標準探頭、微波功率計和待定標功率探頭；

圖3 微波功率探頭內部功率標準的定標

（2） 對功率探頭進行線性、頻率響應和溫度響應的補償，并將補償數據寫入到E2PROM中；

（3） 設置信號發生器的頻率為1 GHz，分別設置信號發生器輸出功率為可溯源國家標準的+20 dBm 和0 dBm；

（4） 將微波功率探頭接到信號發生器的輸出，設置微波功率探頭為功率測量模式，將高速開關1 和高速開關2 的1 和3 導通，分別記錄+20 dBm 和0 dBm 時測得的A/D 轉換器產生的功率ADC 數據；

（5） 設置微波功率探頭為定標模式，高速開關1和高速開關2 的2 和3 導通，采用二分逼近法設置14位輸出的D/A 轉換器，使得定標的ADC 數據分別逼近于測量模式下的+20 dBm 和0 dBm 的ADC 值；

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

微波功率探頭經過定標之后，將0 dBm 對應的DAC 值設置到14 位輸出的D/A 轉換器中，再經過精密運算放大器放大，分別輸出到高速開關1 和高速開關2 的輸入端，此電壓將與微波功率探頭輸入的0 dBm 信號，經過二極管檢波后的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準，同樣的+20 dBm也溯源到國家標準。

2.3 功率測量通道自動校準的設計

在主機功率測量通道中，通道內線性差分運算放大器用于調整通道增益，不同的通道由于控制增益的電阻網絡本身存在一定的誤差，從而導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，為了保證任何一臺主機連接任何一個微波功率探頭的功率測量準確度，需要對微波功率測量進行內部校準。

微波功率測量進行內部校準采用如下措施：

（1） 主機讀取探頭的E2PROM 中有關線性、頻率響應和溫度響應的補償數據，+20 dBm 和0 dBm的DAC 設定值，在主機中生成探頭線性補償數據表、探頭頻響補償數據表和探頭溫度補償數據表；

（2） 將高速開關1 和高速開關2 的2 和3 導通，分別設置14 位輸出的D/A 轉換器的DAC 值為+20 dBm 和0 dBm 定標的DAC 值；

（3） 分別記錄DAC 設置為+20 dBm 和0 dBm時的采樣ADC 值，分別定義為標準ADC+20dBm，標準ADC+0dBm；

（4） 在探頭線性補償表格中，查找+20 dBm 和0 dBm 對應的ADC 值ADC+20dBm，標準ADC+0dBm；

（5） 計算該主機ADC 與探頭線性補償數據ADC 的線性誤差E：

（6） 在實際測量中，需要將測得的ADC 值（實測ADC）進行誤差修正，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，在探頭線性補償表格中查表得到準確的功率值。

經過內部校準之后的功率計主機和功率探頭，可保證功率測量準確度在±0.05dB 的范圍之內，達到與外接校準源校準同樣的準確度指標。

2.4 自動定標和校準

微波功率探頭在實際生產調試中，如果用上述方法手動定標和調試，需要花費較多的時間執行復雜的步驟。為了改善可生產性，提高效率，作者特意編寫了調試軟件，通過GPIB 接口或網口將計算機與圖3 中的信號發射器、標準功率計、調試功率計連接起來，用計算機自動控制，運行調試軟件，點擊開始建標，對探頭內部功率標準自動定標。完成定標后，點擊開始校準，對功率測量通道自動校準。軟件平臺界面如圖4所示。

圖4 軟件平臺界面

3 結論

本文提出了微波功率探頭內部校準技術的完整解決方案，通過采用比較成熟的數據采集、功率校準和功率補償等技術，在大幅提高測量速度的同時，保證測量準確性和穩定性。與傳統的峰值功率探頭相比，采用功率探頭內部校準技術，無需離開被測件即可校準，無需斷開信號輸入即可校零，使得峰值功率探頭的自動校準速度由120 s 提升至2 s。