微波功率探头的内部校准技术

吴雪华，唐宗魁，李金山

（中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛）

引言

功率是表征微波信号特性的基本参数，功率的精确测量是微波测量中的重要环节。微波功率计是测量微波功率的基础测量仪器，由主机和微波功率探头组成。微波功率计配接峰值功率探头即为峰值功率计，可用于测量雷达、电子对抗、通信、制导、导航、广播电视、微波医疗设备等许多电子系统脉冲调制微波信号的多种幅度和时间参数，是表征脉冲调制信号特性的测量工具。

为保证微波功率测试的准确度，在测试之前，需要对功率探头和主机进行校准，将功率探头和主机定标到功率标准。传统的功率标准采取的方案是在功率计主机内部设置一个频率固定、功率可变的校准源，通过校准操作将功率溯源到主机内部校准源。

本文介绍一种微波功率探头的内部校准技术，峰值功率探头内部带有校准电路。采用内部校准技术，无需离开被测件，无需将探头接到微波功率计主机即可校准，无需断开信号输入即可校零，不但简化了测试步骤，而且大大提高了峰值功率探头的校准速度，从而提高了测试效率。

1 传统功率分析仪的校准技术

传统微波功率计采用的功率标准，是在功率计主机内部产生一个频率为1 GHz，功率为-40 dBm～+20 dBm 可变的校准源，校准步进为1dB/点，执行一次校准的时间需要120 s。

为实现校准，在微波功率计主机内部的CPU 板上，需要专门设计如下电路：

（1） 专门设计产生1 GHz 的校准源的微波电路；

（2） 为实现校准源功率从-40 dBm 到+20 dBm 可变，还需要增加55 dB 的微波衰减电路；

（3） 为增加连续波功率探头需要的50 MHz，0 dBm 的精密校准源，还需要增设微波开关，以及各种控制电路，来选择探头校准时所用的校准源。

这些增加的电路和元器件，需要复杂的电路设计，提高了产品成本和潜在的质量风险。由于校准源在主机内部，校准时需要将功率探头接到主机的校准源输出端口，校准完成后从校准源端口取下，再将功率探头接到被测设备的端口，操作很不方便，费时费力。测试小信号需要校零时，还需要将信号源的输入断开，以防测试不准或将探头烧毁。校准时需要从+20 dBm 开始，以1dB/点为步进进行校准，一直校准到-40 dBm，整个校准过程需要约120 s，校准时间很长。

2 微波功率探头的内部校准技术

微波功率探头的内部校准技术需要解决两大难题：其一是探头内部功率标准的设计与校准，其二是功率测量通道自动校准的设计。

2.1 微波功率探头内部功率标准的设计

微波功率探头内部自动校准硬件电路由微波功率探头、多芯电缆和主机功率测量通道三部分组成，如图1 所示。

图1 微波功率探头内部自动校准硬件原理

微波输入信号IN 进入正、负二极管检波器对后，经过二极管检波，输出电压大小相同，方向相反的检波电压IN+、IN-，分别进入高速开关1 和高速开关2 的1 脚。正常测量时高速开关1 和高速开关2 的1 和3导通，信号进入对数放大器。对数放大器的动态范围为90 dB，经过对数放大的信号进入线性差分放大器。差分放大器作为信号传输的驱动器，增强了信号的传输能力，将信号SIG+和SIG- 通过多芯电缆传输到功率计主机。

2.5 V 精密电压源给14 位输出的D/A 转换器提供2.5 V 的电压参考，其误差小于±1 mV，2.5 V 电压参考在-40 ℃～+85 ℃之间温度漂移小于3×10-6/℃，保证14 位D/A转换器的输出电压DAC 范围为0 V～2.5 V。N2 输出的DAC 模拟电压再通过精密输入运算放大器（详见图2），N1A 加外围电路构成反相器，使14 位D/A 转换器的输出电压进行反向1：1 的放大，N1B 为射随器，DAC模拟电压经过N1B、NA1，输出大小相等、方向相反的直流信号，作为直流参考，用于功率的内部校准；

图2 D/A 转换器及精密输入运算放大器

串行电可擦除可编程存储器(E2PROM)中保存了探头的各种补偿数据，包括自动校准中+20 dBm、0 dBm 对应的DAC 值、二极管检波器的线性、频率响应和温度响应的补偿数据等。

8 端口I2C 总线接口扩展器，通过I2C 总线控制端口输出状态，分别用于控制高速开关1 和高速开关2 的选择，并对14 位输出的D/A 转换器的控制信号进行操作。

2.2 微波功率探头内部功率标准的定标

微波功率探头生产完成之后，需要对探头内部的功率标准进行定标。内部功率标准定标采取的措施通过以下几步完成：

（1） 如图3 连接合成信号源、标准功率计、标准探头、微波功率计和待定标功率探头；

图3 微波功率探头内部功率标准的定标

（2） 对功率探头进行线性、频率响应和温度响应的补偿，并将补偿数据写入到E2PROM中；

（3） 设置信号发生器的频率为1 GHz，分别设置信号发生器输出功率为可溯源国家标准的+20 dBm 和0 dBm；

（4） 将微波功率探头接到信号发生器的输出，设置微波功率探头为功率测量模式，将高速开关1 和高速开关2 的1 和3 导通，分别记录+20 dBm 和0 dBm 时测得的A/D 转换器产生的功率ADC 数据；

（5） 设置微波功率探头为定标模式，高速开关1和高速开关2 的2 和3 导通，采用二分逼近法设置14位输出的D/A 转换器，使得定标的ADC 数据分别逼近于测量模式下的+20 dBm 和0 dBm 的ADC 值；

（6） 分别记录定标+20 dBm 和0 dBm 的D/A转换器的设置值，将+20 dBm 和0 dBm 的设置值存入到E2PROM中。

微波功率探头经过定标之后，将0 dBm 对应的DAC 值设置到14 位输出的D/A 转换器中，再经过精密运算放大器放大，分别输出到高速开关1 和高速开关2 的输入端，此电压将与微波功率探头输入的0 dBm 信号，经过二极管检波后的IN+、IN- 电压相同，从而将微波功率探头的0 dBm 功率参考溯源到国家标准，同样的+20 dBm也溯源到国家标准。

2.3 功率测量通道自动校准的设计

在主机功率测量通道中，通道内线性差分运算放大器用于调整通道增益，不同的通道由于控制增益的电阻网络本身存在一定的误差，从而导致通道增益存在误差，输入功率越大，通道增益误差的影响越大，为了保证任何一台主机连接任何一个微波功率探头的功率测量准确度，需要对微波功率测量进行内部校准。

微波功率测量进行内部校准采用如下措施：

（1） 主机读取探头的E2PROM 中有关线性、频率响应和温度响应的补偿数据，+20 dBm 和0 dBm的DAC 设定值，在主机中生成探头线性补偿数据表、探头频响补偿数据表和探头温度补偿数据表；

（2） 将高速开关1 和高速开关2 的2 和3 导通，分别设置14 位输出的D/A 转换器的DAC 值为+20 dBm 和0 dBm 定标的DAC 值；

（3） 分别记录DAC 设置为+20 dBm 和0 dBm时的采样ADC 值，分别定义为标准ADC+20dBm，标准ADC+0dBm；

（4） 在探头线性补偿表格中，查找+20 dBm 和0 dBm 对应的ADC 值ADC+20dBm，标准ADC+0dBm；

（5） 计算该主机ADC 与探头线性补偿数据ADC 的线性误差E：

（6） 在实际测量中，需要将测得的ADC 值（实测ADC）进行误差修正，得到线性修正后的ADC 值（修正ADC）：

（7） 得到线性修正过的ADC 值（修正ADC）后，以修正ADC 为基准，在探头线性补偿表格中查表得到准确的功率值。

经过内部校准之后的功率计主机和功率探头，可保证功率测量准确度在±0.05dB 的范围之内，达到与外接校准源校准同样的准确度指标。

2.4 自动定标和校准

微波功率探头在实际生产调试中，如果用上述方法手动定标和调试，需要花费较多的时间执行复杂的步骤。为了改善可生产性，提高效率，作者特意编写了调试软件，通过GPIB 接口或网口将计算机与图3 中的信号发射器、标准功率计、调试功率计连接起来，用计算机自动控制，运行调试软件，点击开始建标，对探头内部功率标准自动定标。完成定标后，点击开始校准，对功率测量通道自动校准。软件平台界面如图4所示。

图4 软件平台界面

3 结论

本文提出了微波功率探头内部校准技术的完整解决方案，通过采用比较成熟的数据采集、功率校准和功率补偿等技术，在大幅提高测量速度的同时，保证测量准确性和稳定性。与传统的峰值功率探头相比，采用功率探头内部校准技术，无需离开被测件即可校准，无需断开信号输入即可校零，使得峰值功率探头的自动校准速度由120 s 提升至2 s。