超宽量程微波功率指示器校准方法研究

李健一　闫道广

(中国人民解放军92493部队，葫芦岛 125000)

0　引言

目前，微波功率量值传递的重点集中在功率传感器校准因子的量传，对功率指示器则不大重视。作为一个指示仪表，其量值的准确与否同样影响着整体测量结果的准确性。虽然目前各大公司都有可以不用功率指示器的USB接口功率传感器上市，但功率指示器在很多场合仍是不可或缺的重要测量设备。以Agilent公司的系列功率计为例，根据JJG(航天)22-1987《436A型功率计检定规程》，对功率指示器进行校准只能利用其母公司生产的量程校准器来进行。多年以来，Agilent公司唯一一款11683量程校准器没有更新换代产品，测量范围局限在-25～20dBm，而其新型的EPM系列、P系列功率指示器量程已拓展到-70～44dBm，也就是说按照现有的方法和设备已远不能满足新型超宽量程功率指示器的计量需求。并且，不同公司生产的量程校准器与功率指示器之间不具备兼容性，这就使得实验室需购买各个公司生产的量程校准器才能对该公司生产的功率指示器进行校准，增加了校准成本，而且有些仪器厂商根本就没有相应的量程校准器，使得这些功率指示器的校准成为空白[1]。针对上述问题，提出利用SYSTEMⅡ功率传递系统实现功率指示器校准的方法，并经过反复的实验测试和理论分析计算，结果证明所提方案满足测试要求，提高了校准的通用性，拓展了校准量程。

1　功率指示器校准常规的做法及弊端

功率指示器本质上是一台数字电压表，把功率传感器输入的直流信号进行整流、放大并显示，辅助以其它相应的测量功能。对功率指示器进行校准通常只需要对其指示器准确度和1mW参考输出两个参量进行测试。

1)功率指示器的1mW参考输出端口是一个固定频率(50MHz)、固定电平(1mW)输出的简易功率源，对其测量一般由另一台功率指示器和功率传感器组成的标准功率计完成。其基本原理是利用标准功率计测量被校指示器1mW参考输出射频功率，根据测量值的大小判断被校功率指示器的功率参考电平是否满足要求。

2)功率指示器准确度的校准最常用的做法是使用量程校准器，如图1所示。量程校准器本质上是一台简单的直流电压源，按照相应的规则输出相应量程的标准信号，观察功率指示器的显示情况是否满足其技术指标的要求，从而实现校准。

图1　功率计常规校准方案原理框图

该方法存在以下弊端：

1)校准量程受限。以安捷伦公司生产的功率功率传感器为例，如图2所示，使用传统方法校准功率指示器，在较宽的量程范围内都属漏检，即使20～44dBm属于中功率范畴，使用机会非常少，但低端-70～-25dBm内未能做出有效的计量检定，无法保证在此范围内测量结果的准确性，校准量程受到了很大的限制。

图2　Agilent公司功率指示器校准量程对比

2)通用性不强。目前市场上常见的功率指示器出自不同厂家，接头形式及内部机理各不相同。使用传统方法校准功率指示器，只能针对不同的厂家配备相应的量程校准器，增加了校准成本。而且有些仪器公司根本就没有相应的量程校准器，使得这些功率指示器无法完成校准。通用性不强给功率指示器的校准带来很大的局限性。

2　超宽量程功率计校准方案设计

针对目前普遍采用的功率指示器校准方法存在的弊端，提出利用实验室现有的SYSTEMⅡ功率传递系统，配合经过精确定标的衰减器组成量程宽、通用性强的功率指示器校准系统，解决长期以来制约功率指示器校准水平提升的瓶颈问题。

2.1　整体方案设计

2.1.11mW参考输出的校准

对功率指示器1mW参考输出校准可利用SYSTEMⅡ功率传递系统中的标准功率座M1110、精密功率计1806和数字电压表3455A组成的高精度功率计来实现，如图3所示。

被校功率指示器的1mW参考输出处于开、关状态时分别记下3455A数字电压表的读数V1、V2，通过式(1)[2]可计算出被校功率指示器的1mW参考输出电平实测值。

图3　1mW参考输出校准原理框图

(1)

其中，Pref为被校功率指示器1mW参考输出端口输出功率的实测值；Ku为M1110标准功率座在50MHz时的校准因子；R为标准功率座内的热敏电阻值200Ω。

2.1.2指示器准确度的校准

SYSTEMⅡ是一套精密功率传感器自动校准系统，由微波信号源、电平控制器、标准功率座组成低反射系数等效信号源结构，构成一套输出高度稳定的精密功率源，其功率范围为0.5～10mW。将此精密标准功率源与一只经过精密定标的可变衰减器(0～60dB)连接，将微波信号源的输出频率设为50MHz，即可构成一个输出频率为50MHz、输出功率为-60～10dBm的定频精密标准功率源。使用一个大动态范围功率传感器(如E4412A)作为标准传感器，其在50MHz的校准因子应为已知或存储于其自身的存储器中，则可通过精密功率源的功率值和50MHz的校准因子导出功率计输入“功率值”，并与被校功率指示器的显示值比较完成校准。其原理如图4所示：

图4　基于SYSTEMII功率传递系统的功率指示器校准系统框图

具体校准过程如下所示：

1)在50MHz频率下，利用T矩阵法对可变衰减器进行精密定标测试，得出可变衰减量步进值A10、A20、A30、A40、A50、A60和A70[3]；

2)按要求对SYSTEMⅡ进行预热和调整，信号源输出频率置于50MHz，输出电平为10dBm，将被校功率计测试频率置为50MHz，功率计会自动调用标准传感器内50MHz的参考校准因子，使用标准功率传感器对功率计进行调零和校准，由于1mW参考并非绝对的1mW，设校准系数为：

(2)

其中，Pref为通过式(1)测得的功率指示器1mW参考输出的实测功率值。

3)将SYSTEMⅡ的直流替代功率置于10mW，84906L的衰减量置于50dB，对被校功率指示器-40dBm量程进行准确度测试，这时标准功率传感器后端输入被校功率计的等效功率为：

(3)

其中，Kc为F1109标准功率座在50MHz时的校准因子。

4)设功率指示器的指示值为Pm，则被检功率指示器在100nW量程时的实测值应为：

PDUT=Pm-(Ps×106-100)(nW)

(4)

对于其他量程，可用上述类似方法得到其实测值。将被校功率指示器各个量程的实测值与其相应的允许误差极限相比较，即可判断其是否超差。

2.2　不确定度评定

2.2.11mW输出的不确定度评定

1mW输出测量结果的不确定度包括由M1110标准功率座引入的不确定度分量uB1、1806精密功率计引入的不确定度分量uB2、失配引入的不确定度分量uB3和接头连接重复性、随机影响引入的不确定度分量uA。具体不确定度分量见表1。

表1

不确定度分量来源评定方法分布kuI值uB1M1110标准功率座引入的误差B类正态20　0025uB21806精密功率计引入的误差B类均匀30　00017uB3失配误差B类反正弦20　0018uA接头连接重复性、随机影响A类0　001

因引入的各不确定度分量的因素互不相关，则合成标准不确定度

取置信因子k=2，扩展不确定度：U=k×uc=0.7％。

2.2.2功率指示器准确度的不确定度评定(以功率输出100nW为例说明)

功率指示器准确度测量结果的不确定度包括由F1109标准功率座引入的不确定度分量uB1、1805直流替代功率引入的不确定度分量uB2、失配引入的不确定度分量uB3、可变衰减器衰减量引入的不确定度分量uB4、1mW校准系数Kn引入的不确定度分量uB5和接头连接重复性、随机影响引入的不确定度分量uA。具体不确定度分量见表2。

表2

不确定度分量来源评定方法分布kuI值uB1F1109标准功率座引入的误差B类正态20　25％uB21805直流替代误差B类均匀30　087％uB3失配误差B类反正弦20　62％uB4可变衰减器衰减量引入的误差B类均匀30　069％uB51mW校准系数Kn引入的误差B类均匀30　32％uA接头连接重复性、随机影响A类0　058％

因引入的各不确定度分量的因素互不相关，则合成标准不确定度

取置信因子k=2，扩展不确定度：U=k×uc=1.5％。

2.3　实验结果验证

利用本方案所采用的方法对E4416A型功率指示器进行校准，所得数据和上级检定给出的数据相比，比较结果如表3所示。

表3

标称值允许误差下限允许误差上限本方案测量结果上级计量技术机构的测量结果10mW9　984mW10　08mW10　06mW10　03mW1mW0　995mW1　005mW1　000mW1　000mW100μW99　50μW100　5μW100　11μW100　0μW10μW9　900μW10　10μW9　996μW9　975μW1μW——————0　989μW———100nW——————102　56nW———10nW——————9　46nW———1nW——————0　92nW———

通过比较，本方案的测试值和上级计量技术机构给出的数据基本符合，证明本方案完全可以对功率指示器进行检定校准。

3　结束语

利用SYSTEMII功率传递系统实现大量程功率指示器的校准可在很大程度上突破传统校准方案的不足，较为容易地实现了校准量程的向下拓展，如果配合功率放大器构建微波中功率计量系统，则同样可实现校准量程的向上拓展。该方案是在充分利用了实验室现有的设备的基础上进行研究，可省去购置不同公司量程校准器的费用，对不同公司的不同功率指示器具有很强的通用性。鉴于SYSTEMII功率传递系统在国内微波功率计量领域有着十分广泛的应用，因此基于SYSTEMII功率传递系统的新型超大量程功率指示器校准方案具有良好的可推广性。

[1]张池军，王厚军，曹佩韦，戴志坚.一类纳瓦功率计的计量方法研究[J].仪器仪表学报，2007，28(4)

[2]国防科工委科技与质量司.无线电电子学计量[M].北京：原子能出版社，2002

[3]孙新莉，陈钢.RF/微波功率传感器校准方法的探讨[J].计量技术，2007(6)

[4]闫道广，于蒙.利用T矩阵法实现非程控步进衰减器的测量[J].计测技术，2012(3)

[5]魏光楚.热偶式功率计的技术指标和它的测量不确定度[J].计量技术，1992(7)