某型装备功率计校准平台研制与应用

黄伟 高佳 赵嘉

摘要：针对某引进型地面防空武器系统装备上配置的X-95、X-56两种型号功率计研制了功率计校准平台，解决外场不便于开展仪器外检的问题，提高工程对该类型功率计的自主激浪能力和外场保障水平。该校准平台的研制保证了该型装备量值的准确可靠，为军用计量提供了良好的技术储备、设计思想和测试经验。

关键词：功率计校准平台；计量；校准装置；标准

Keywords：power meter device；metering；calibrating apparatus；standard

0 引言

某引进型地面防空武器系统装备上配置了X-95、X-56两种型号功率计，是地面防空武器系统装备的核心测量设备，其测量准确性直接关系到装备的战术性能指标。

X-95功率计用于测量该型装备测试口输出的连续波功率和某测试口输出的脉冲波功率。X-56功率计用于测量该型装备本振输出的连续波功率以及输出的脉冲波功率。考虑到频率真值的保密安全性和外场不便于开展仪器外检的特殊性，为便于在外场开展仪器计量，确保两型功率计测量的准确性和武器装备工作正常，保护操作人员人身安全，决定研制便携式功率计校准平台，实现功率计校准的综合化、智能化、通用化，提高功率计战训的技术保障时效。

1 研制需求分析

1.1 两型功率计性能参数

X-95、X-56两种型号功率计如图1所示，性能参数如下。

1）X-95功率计

a. 频率范围：C波段、X波段；

b. 功率测量范围：10～40dBm；

c. 功率测量精度：±4%（C波段），±6%（X波段）；

d. 输入电压驻波比：≤1.15（C波段），≤1.3（X波段）。

2）X-56功率计

a. 频率范围：C波段、X波段；

b.功率测量范围：10～43dBm；

c.功率测量精度：±4%（C波段），±6%（X波段）；

d.输入电压驻波比：≤1.15（C波段），≤1.3（X波段）。

1.2 两型功率计校准方法

1.3 确定校准平台功能和性能指标

通过分析两型功率计的校准方法、校准过程，明确校准平台的功能、技术指标。

1）功能

a.能够实现五型功率计频率范围参数自动校准计量；

b.能够实现五型功率计功率测量范围参数自动校准计量；

c.能够实现两型功率计X-95、X-56输入电压驻波比参数自动校准计量；

d.具有五型功率计自动测试流程，具有对测试数据进行自动记录、存储、计算以及判断合格等级等功能；

e.具有射频信号源、驻波测量仪、功率计等综合仪器功能；

f.具有系统资源自检功能。

2）性能指标

a.频率范围：C波段、X波段；

b.功率测量范围：-86～-60dBm，Ⅲ档；-60～0dBm，Ⅱ档；0～43dBm，Ⅰ档；

c.功率测量精度：≤±4%（0～43dBm），≤±3%（-60～0dBm），≤±4% （-86～-60dBm）；

d.校准因数不确定度：≤10%（常温下）；

e.输入电压驻波比：≤1.3。

2 研制方案

2.1 系统组成

校准平台由软件系统和硬件系统两大部分组成，系统结构如图3所示。其中，硬件系统采用PXI总线模块化仪器架构，由嵌入式控制器、稳幅信号发生器、驻波测量模块、标准功率计模块等组成。嵌入式控制器是校准平台的核心，通过PXI总线控制其他仪器功能模块，按照用户设置配置仪器模块，仪器模块实现射频微波信号的产生、频率范围、频率分辨率、功率范围、驻波比等参数的测量，并将所测参数回传至嵌入式控制器，实现参数的存储、处理、显示。软件系统包括一键测试（X-95测试流程、X-56测试流程等）软件单元、通用仪器软件单元、扩展流程测试软件单元、用户管理软件单元、数据管理软件单元、帮助、自检自校准软件单元等。

2.2 系统硬件组成

校准平台的硬件组成原理如图4所示，由射频开关滤波组（含程控衰减器、功率放大器）、嵌入式控制器、标准信号发生器、驻波测量模块等硬件模块组成，功能如下。

1）标准信号发生器、电调衰减器、定向耦合器、检波器、稳幅器组成功率稳幅环路，实现低反射系数等效信号源，因此在功率校准过程中消除了实际信号源反射系数的影响，减少了失配误差，从而提高了校准准确度，降低了由信号激励产生的不确定度分量。由于校准平台采用多频段功放、开关滤波器组，消除了由功放和噪聲产生的不需要的谐波分量和噪声，保证了信号的纯净度，能够降低由信号激励产生的不确定度分量。

2）驻波测量模块测量X-95、X-56功率计、转接头、线缆的驻波比，驻波比代表被测件与转接头、测试电缆、功率计等的匹配程度。

3）标准功率计模块测量标准信号源输出的功率，用于功率标准参考，标准小功率计、标准中功率计可溯源至设计单位的小功率座、中功率座。

2.3 系统软件组成

校准平台的软件组成原理如图5所示。软件系统包含一键测试（X-95测试流程、X-56测试流程等）、通用仪器、流程测试单元、IETM、用户管理、数据管理、帮助、自检自校准等功能模块。其中，一键测试模块分为X-95测试流程、X-56测试流程等功能子模块，这些功能子模块按照被测功率计的计量校准细分为不同的测试子函数，包括输出频率范围、频率测量精度、功率测量范围、功率测量精度、输入电压驻波比等测量项目。通用仪器功能分为射频信号源、频谱分析仪、功率计、驻波测量仪等虚拟仪器软件功能。

2.4 系统结构组成

校准平台前面板由触摸式显示屏、操作键盘组成，侧面板由适配接口、220V电源接口组成。

2.5 不确定度分析

采用稳幅信号源、标准功率计等组成频率范围宽、功率动态范围大的校准平台技术方案，不确定度的分量如下。

1）标准功率计最大不确定度为1.6%，包含因子k=2，按B类评定，则相对不确定度u1=0.01。

2）标准功率计读数非线性引入的不确定度u2。

根据选择功率计的说明书，读数非线性为±0.5%，视为均匀分布，按B类评定，包含因子k=3^（0.5），u3=0.0029。

3）被检功率计指示器非线性引入的不确定度u3。

3 方案实施

3.1 设备研制

依据方案论证与评审阶段确定的专用测试设备的总体设计、硬件设计、软件设计、结构设计、测试原理设计、可靠性设计等，进行模块采购、模块开发、结构加工、软件开发、环境实验、校准标定等系列工作，完成了1套校准平台的研制，实物如图6所示，设备组成如表1所示。在此基础上开展了第三方计量、被测功率计对接验证试验等关键测试过程及指标的验证。

3.2 试用验证

2017年11月，对X-95、X-56功率计进行了校准测试，校准平台工作正常稳定，测试结果合格，满足研制任务书的要求。

3.3 建立测量标准

为保证科研生产和装备修理中X-95、X-56功率计的量值准确可靠，对该设备开展建标考核。

在测量标准重复性和稳定性试验后，进行测量标准的不确定度评定：取k=2，扩展不确定度U=2×3.55%= 7.10%。

标准装置送上级计量检定技术机构检定，给出检定值y0，标准给出值y与上级机构检定值y0比较，直流电压扩展不确定度验证满足要求。数据如表2所示。

4 技术难点

4.1 DDS+PLL的频率合成技术实现

DDS+PLL的频率合成技术是实现射频信号源、频谱分析仪低相位噪声、高分辨率等指标的关键。为了保证低相位噪声、高分辨率的指标要求，在设计中对频率合成方式及锁相环电路进行了精心设计。DDS作为基准信号发生器，通过FPGA控制电路，程控DDS捷变频率、相位作为锁相环的参考源。锁相环采用超大规模集成数字锁相环HMC701，以DDS为参考源，锁定低相噪宽带压控振荡器，实现低噪声、低杂散、高纯频谱的本振信号。

4.2 功率计校准计量技术

功率计的校准因子和功率采用交替比較法或传递标准法校准。由于校准平台采用多频段功放、开关滤波器组，可消除由功放和噪声产生的不需要的谐波分量和噪声，保证信号的纯净度，降低由信号激励产生的不确定度分量。微波信号源、电调衰减器、定向耦合器、检波器、稳幅器组成功率稳幅环路，实现低反射系数等效信号源，因此在功率校准过程中消除了实际信号源反射系数的影响，减少了失配误差，从而提高了校准准确度，降低由信号激励产生的不确定度分量。稳幅信号源、标准功率计、被测功率计之间进行信号同步，能够保证在测试时刻标准功率计与被测功率计测试的是同一幅度的功率信号；对同一功率输出进行测量，可以消除因定向耦合器耦合度等因素引起的误差。

5 结束语

该型校准平台已广泛应用于外场功率计工作中，大大提高了两型功率计快速校准测试能力。该设备具有较高的扩展空间，可在现有功率测试功能的基础上添加多种虚拟仪器测试功能，以确保功率计校准测试工作全面、扎实、有效。本次研制成果参加北京市质量协会举办的第72次QC成果发布，获得三等奖，取得了较好的社会效益。

参考文献

[1] GJB2749A-2009 计量测量标准建立与保持通用要求[S].军标出版发行部，2010.

[2] JJF1386-2013 中功率计校准规范[S].国家质量监督检验检疫总局，2013.