基于SYSTEMⅡ的新型微波中功率計量系統

閆道廣，陳志宇

(1.北京理工大學，北京 100081;2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

隨著大型雷達、無線通信等裝備的大量應用，對微波中、大功率計量的需求日益增多，目前，各計量技術機構普遍采用傳統的中功率計量方法開展工作，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校準系統是美國TEGAM公司的產品，該系統利用單定向耦合器法的校準原理，可實現各種通過式及終端式小功率傳感器的自動校準。本文通過對傳統中功率計量方法的研究分析，本文提出一種新型的微波中功率計量系統，借鑒SYSTEMⅡ功率傳遞系統低反射等效信號源結構，通過對輸出功率電平的閉環穩幅控制實現各種中功率傳感器的校準，與傳統方法相比，具有穩定性好、精度高等優勢[1－3]。

1 系統構建方案

傳統的中功率計量方法，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控制回路和不采用閉環反饋控制回路兩種[4]。若組成閉環反饋回路，可充分利用低反射系數等效信號源結構，系統穩定，失配誤差小、精度有保證，但需要配備PIN調制器，系統構建存在一定難度;若不構成閉環控制回路，由于功率放大器的增益隨著頻率的變化有著較大的變化，容易造成以下兩個方面的問題:一是在變換不同的頻率點時，需要根據該頻點的增益值設定微波信號源輸出電平，稍有不慎就容易導致功率放大器的輸出信號過大使被測功率傳感器過載甚至損壞，增大了設備安全的風險，同時反復地調整信號源輸出電平增加了測試工作的繁瑣程度;二是功率放大器輸出信號穩定性差，失配誤差較大，校準難以達到高的精度。

通過對SYSTEMⅡ型微波功率傳感器自動校準系統的構成原理以及微波中功率計量方法的分析研究，在現有的SYSTEMⅡ功率傳遞系統硬件的基礎上，提出了基于SYSTEMⅡ的微波中功率計量方案。如圖1所示。新型的微波中功率計量系統實現了低反射系數等效信號源結構，系統的輸出電平可自動穩定在預先設定的輸出功率值，無須頻繁調整信號源的輸出電平，等效信號源輸出端反射系數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功率傳遞系統進行中功率校準原理框圖

該方案基于交替比較法的原理，微波信號經功率放大器放大后，通過一個高耦合度的定向耦合器，該耦合器的耦合輸出端通過一個可變衰減器后接至M1110標準功率座，通過射頻控制器后形成一個閉環的反饋回路，即微波信號源、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，構成了低反射系數等效信號源結構 (圖1中虛線框所示)，在耦合器的主臂輸出端口構成一個輸出信號電平穩定的等效信號源。通過調節可變衰減器的衰減量值來調節耦合器輸出到M1110標準功率座信號電平的大小，從而通過1805A射頻控制器控制等效信號源輸出電平的大小[8－10]。

由于定向耦合器在不同功率量值的耦合度不具規律性，所以不易通過M1110標準功率座和定向耦合器的耦合度對耦合器主臂輸出端的功率量值進行定度，只是提供一個穩定的中功率源，以定向耦合器的主臂輸出端作為測試端面。對于配置完整的SYSTEMⅡ功率傳遞系統，可利用其組成部分中的M1110終端式標準功率座和雙橋高精度功率計，配合中功率衰減器、直流數字電壓表構成標準中功率計來校準被校功率座。其中標準功率座M1110的校準因子由上級計量檢定部門給出。對于沒有配置M1110標準功率座的情況，可以采用普通的小功率計 (如E4412A+E4416)配合中功率衰減器構成標準中功率計，只是精度略低于M1110構成的標準中功率計。

當等效信號源輸出端口連接的是M1110標準功率座和標準中功率衰減器構成的標準中功率計時，則入

式中:A為衰減器的校準值;R為200 Ω;Ks為M1110標準功率座的校準因子。

對于采用普通小功率計的系統，Pi就是功率指示器的示值經與中功率衰減器衰減量計算后的功率值。

當接上被校的中功率傳感器時，在對應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因子 Ku，計算公式[5]為射到標準功率計的功率值Pi可由直流數字電壓表讀數、M1110功率座的校準因子和衰減器的衰減值計算而得[5]。當1805A的射頻開關處于“OFF”狀態時，在電壓表上讀取電壓值V1，當其射頻開關處于“ON”狀態時，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 系統性能分析

實際測試中，系統的主要設備組成如表1所示。

2.1 頻率范圍

系統的頻率范圍主要取決于微波信號源的頻率范圍和功率放大器的頻率范圍。根據表1的設備技術性能分析，該系統的頻率范圍為80 MHz～18 GHz。

2.2 功率范圍

對于功率的測試范圍調整，可以通過調整步進衰減器的量值來調節。實際測試中，定向耦合器直接采用功率放大器的Forward監控輸出端口 (耦合度約為40 dB)，可變衰減器采用Agilent公司8494B步進衰減器。當設定微波信號源輸出電平為5 dBm時，通過調整可變衰減器的衰減量，閉環控制回路鎖定后，可使等效信號源穩定輸出在39.5～46.5 dBm范圍內的若干電平點上，絕對功率相當于9～45 W，基本上滿足了市場上常見中功率傳感器校準的電平需求。如表2所示。

表1 系統主要設備構成

表2 等效信號源輸出電平設置表

通過改變1805A設置的直流替代功率值，可以組合變化出更多不同的電平點。經實際測試，系統的功率范圍為1～40 W。

使用手動調節的步進式衰減器，由于調節過程中是機械連接，會出現瞬間斷開的現象，結果是等效信號源輸出電平遠遠超出預想值，容易對被測器件造成損壞，需要特別注意。如果換為程控可變衰減器，如Agilent公司的8494H，則可杜絕這一問題。如果使用連續可調的衰減器，即可使等效信號源的輸出電平連續可調。

2.3 校準因子的測量不確定度

根據新型微波中功率計量系統的構成原理，結合實際重復性考核測試結果，對系統不確定度分析如表3所示。

計量系統的合成標準不確定度

擴展不確定度

由表3中給出的各不確定度分量值，經計算可得系統的擴展不確定度為3.7% ～6.3%(k=2)。

表3 系統不確定度來源分析

3 實際測試驗證

應用本文構建的中功率計量系統，對現有的hp8481B型功率傳感器進行了多次測試，測試結果如表4所示。

表4 實際測試結果

由表4可以看到，采用本文提出的測試方案得到的測試結果優于傳統的測量方法。并且經過反復測試，系統性能穩定，說明采用該方案開展微波中功率傳感器的計量測試基本可行。

4 結束語

基于SYSTEMⅡ功率傳遞系統的新型微波中功率計量系統構建方案，在一定程度上提高了中功率計量的精度和穩定性。擁有SYSTEMⅡ功率傳遞系統的計量技術機構只需購置中功率計量所必需的中功率放大器、衰減器、定向耦合器等設備即可實現微波中功率計量，充分挖掘了現有儀器的潛能，可操作性強，性能價格比高。

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