高功率微波輻射場功率密度測量不確定度分析方法

劉英君 晏峰 景洪 熊正鋒 郝文析 楊猛

(西北核技術研究所,西安 710024)

高功率微波輻射場功率密度測量不確定度分析方法

劉英君 晏峰 景洪 熊正鋒 郝文析 楊猛

(西北核技術研究所,西安 710024)

輻射場測量是檢驗高功率微波系統輸出指標的重要手段. 隨著高功率微波測量技術的發展,輻射場測量系統的穩定性和可靠性不斷提高,作為完整測量結果重要組成部分的測量不確定度越來越受到關注.文章介紹了高功率微波輻射場功率密度測量方法及系統組成,建立了功率密度測量的數學模型,給出了高功率微波輻射場功率密度測量的主要不確定度來源.對檢波器輸入功率計算、接收天線有效面積校準、衰減環節校準及測量系統各環節連接失配等測量不確定度分量進行了分析,并給出了高功率微波輻射場功率密度測量不確定度的合成方法. 本文給出的測量不確定度分析方法較為科學、操作性強,對完善高功率微波輻射場功率密度測量結果具有一定的指導意義.

高功率微波;輻射場功率密度;測量系統;測量不確定度;合成不確定度

引 言

高功率微波(High Power Microwave, HPM)通常是指頻率范圍300 MHz至300 GHz、峰值功率大于100 MW或平均功率大于1 MW的強電磁波[1]. 輻射場測量是檢驗HPM系統輸出指標的重要手段. 近年來,隨著HPM測量技術的發展,困擾HPM輻射場測量多年的測量系統自身穩定性、可靠性及測量環境影響抑制等問題被逐步解決,作為完整測量結果重要組成部分的測量不確定度越來越受到關注.

HPM具有峰值功率高、脈沖時間短及測量環境復雜等特點,對輻射場測量系統的功率容量、響應時間及抗干擾能力都提出了較高的要求,常規微波輻射場測量系統無法直接用于HPM輻射場測量[2]. 由于HPM輻射場參數測量的技術復雜性,且國內尚未建立針對HPM的超高峰值功率和超短時間脈沖等極值量的傳遞和溯源標準[3-4],所以準確評定HPM輻射場測量不確定度是一項技術難度很大的工作. 目前國內尚未系統地開展過針對HPM輻射場參數測量不確定度的分析工作,文獻[5-9]中僅對輻射場測量系統接收天線增益、檢波器靈敏度的校準不確定度進行了分析.本文基于《測量不確定表示導則》(Guide to the Uncertainty in Measurement, GUM)規定的方法[10],建立了HPM輻射場功率密度測量的數學模型,分析了測量不確定度的主要來源,給出了主要測量不確定度分量的評定方法及HPM輻射場功率密度測量不確定度的合成方法.

1 測量方法及數學模型

HPM輻射場功率密度測量系統通常由接收天線、定向耦合器、微波電纜及位于電磁屏蔽箱中的衰減器、檢波器、示波器等環節組成,如圖1所示. 其中,定向耦合器、微波電纜及衰減器共同構成了測量系統的衰減環節.

圖1 HPM輻射場功率密度測量系統組成示意圖

將測量系統置于HPM輻射場中,使接收天線瞄準HPM系統輻射天線且極化方向與來波極化方向一致. 天線接收到的微波功率經衰減環節衰減至檢波器可承受范圍內,使用示波器記錄脈沖包絡波形. 為避免強電磁脈沖環境測量可能造成的干擾,將檢波器和示波器置于電磁屏蔽箱內并良好接地. 地面反射、測量系統支撐散射等測量環境影響是HPM輻射場功率密度測量必須要考慮的因素,通常采用鋪設吸波材料或架高測量系統等方法將測量環境影響程度抑制在一定范圍內[11].

檢波器的靈敏度事先進行過標定[9],將示波器測量的脈沖電壓幅值帶入檢波器輸入功率-輸出電壓擬合函數中,可以得到檢波器輸入功率Pde. 設輻射場測量系統衰減環節的總衰減量為A(單位為dB),則接收天線口面處的HPM輻射場功率密度可由公式(1)計算給出:

(1)

式中:PR為接收功率,W;Ae為接收天線的有效面積,m2. 當衰減環節由定向耦合器、微波電纜、同軸衰減器等器件組成時,輻射場測量系統的總衰減量可表示為

A=Aco+Aca+Aat．

(2)

式中:Aco為定向耦合器的耦合度;Aca為微波電纜的損耗;Aat為同軸衰減器的衰減量. 這些參數通常都是使用矢量網絡分析儀進行傳輸參數測量獲得.

2 主要不確定度來源與分析

根據HPM輻射場功率密度測量方法和公式(1)給出的數學模型,HPM輻射場功率密度測量不確定度的主要來源有:

1) 接收天線瞄準偏差;

2) 接收天線極化失配;

3) 接收天線有效面積校準;

4) 檢波器輸入功率計算;

5) 衰減環節的衰減量校準;

6) 測量系統各環節連接失配;

7) 測量環境影響.

2.1接收天線瞄準偏差引入的不確定度

理論上,在進行HPM輻射場功率密度測量時接收天線主軸應指向HPM系統輻射天線的相位中心[12]. 實際上,由于測量條件控制不嚴格或輻射天線相位中心難以精確定位,導致接收天線的實際指向與理論指向會存在一定的偏差. 設指向偏差角度范圍為±Δβ,接收天線主軸方向上增益為G(θ0),單位為dB,在偏離主軸角度Δβ方向上的增益為G(θΔβ),則由于接收天線瞄準偏差引入的誤差限區間半寬為

ΔGRd=G(θ0)-G(θΔβ)．

(3)

用于輻射場功率密度測量的接收天線方向圖對稱且頂部平滑,由瞄準問題引起的增益偏差服從均勻分布[13],則由接收天線瞄準誤差引入的標準不確定度為

(4)

2.2接收天線極化失配引入的不確定度

HPM系統通常輻射線極化或圓極化波,在進行HPM輻射場功率密度測量時,要求位于輻射場中的接收天線極化方向與來波方向一致. 當接收天線極化方向與HPM系統輻射極化方向存在一定角度偏差時,根據電場矢量合成原理知,只有分解到接收天線極化方向上的那部分微波功率才能被天線接收,這將導致實測的HPM輻射場功率密度值偏低.

在天線測量領域,當收發天線極化不匹配時,通常使用極化效率η對傳輸公式進行修正[14],且有

(5)

式中:λ為微波波長;R為收發天線距離;GT和GR分別為發射和接收天線的增益. 極化效率η與天線極化特性、軸比、極化失配角度等多個因素有關[15].

由接收天線極化失配引入的誤差限區間半寬為

ΔGRp=(1-η)GR．

(6)

其概率服從均勻分布,則由接收天線極化失配引入的不確定度為

(7)

2.3接收天線有效面積校準引入的不確定度

接收天線是輻射場測量系統的“門戶”,其有效面積表征了天線對空間輻射場的接收能力,接收天線有效面積越大,耦合進入測量系統的微波功率越高. 接收天線的有效面積根據公式(8)計算給出:

(8)

在進行HPM輻射場功率密度測量時,首先要對接收天線的增益進行測量,通常采用基于矢量網絡分析儀的三天線法,如圖2所示,這種方法具有操作簡單、精度較高等特點[5].

圖2 基于矢量網絡分析儀的天線增益測量方法示意圖

接收天線增益測量的不確定來源有有限測量距離、入射場錐削、多路徑效應、極化失配、瞄準偏差、場地不完善、矢網傳輸參數測量、測量系統連接失配及重復測量等[16]. 設接收天線增益測量不確定度為uGR,其概率服從均勻分布,則根據公式(8),由接收天線有效面積校準引入的不確定度為

(9)

2.4檢波器輸入功率計算引入的不確定度

檢波器的輸入功率是將實測檢波脈沖幅值代入公式(10)中計算給出的:

Pde=f(V).

(10)

式中,函數f(x)為根據檢波器輸入功率-輸出電壓標定數據進行擬合得到的,一般使用多項式擬合,多項式的次數選擇以殘差最小為依據[9].

檢波器輸入功率-輸出電壓標定系統組成如圖3所示,通過功率分配器和功率計對饋入檢波器或檢波組件(由衰減器和檢波器組成以降低輸入端電壓駐波比)的微波功率進行監測. 固定微波信號源輸出頻率,以一定步長調節其輸出功率,測量獲取檢波器在不同輸入功率下的輸出電壓幅值,然后進行擬合得到公式(10).

圖3 檢波器輸入功率-輸出電壓標定系統組成框圖

從檢波器輸入功率的計算過程可知,脈沖幅度測量和檢波器靈敏度校準數據擬合公式都會引入一定的不確定度,其中脈沖幅值測量不確定度又主要來源于示波器垂直分辨力和脈沖頂值、底值的測量.設脈沖幅值的測量不確定度為uV,其概率服從均勻分布;由擬合公式殘差引入的輸入功率偏差為δPde,其概率服從三角分布[9]. 則檢波器輸入功率計算引入的不確定度表示為

實施無痛護理以后，主要對兩組患者的疼痛評分情況、以及住院時間、護理滿意度、并發癥情況進行觀察。疼痛評分情況主要由專業人員對兩組患者的護理前、護理后的疼痛評分進行記錄。住院時間、護理滿意度、并發癥情況由專業人員對兩組患者的住院時間、護理滿意度、并發癥情況進行記錄。

(11)

2.5衰減環節的衰減量校準引入的不確定度

衰減環節是HPM輻射場測量系統的重要組成部分. 由于檢波器輸入功率一般都在毫瓦量級,HPM源功率為吉瓦量級,HPM輻射場功率密度測量系統的衰減環節的總衰減通常可達六七十分貝,若使用矢量網絡分析儀對衰減環節進行整體校準,則儀器自身引入的測量不確定度較大[17],因此目前常用的校準方法是根據衰減環節組成和矢網傳輸參數測量不確定度對衰減環節進行分段校準再求和.

定向耦合器的耦合度、微波電纜損耗及同軸衰減器的衰減量校準方法基本相同,其校準不確定度均來源于測量儀器和測量系統連接失配. 設上述器件校準的不確定度分別為uAco、uAca及uAat,考慮到校準方法的相關性[17],則由衰減環節的衰減量校準引入的不確定度為

(12)

2.6測量系統各環節連接失配引入的不確定度

HPM輻射場功率密度測量系統由接收天線、定向耦合器、衰減器、檢波器等多個環節組成,各環節之間連接失配是系統測量不確定度的主要來源之一. 圖4給出了HPM輻射場測量系統連接信號流程圖.

圖4 HPM輻射場功率密度測量系統信流圖

根據系統信號流程圖的不接觸環法則以及器件的傳輸參數[18],并忽略較小的四階相乘項,得到輻射場功率密度測量系統的最大失配誤差限為

ΔAp=

(13)

式中,Γan和Γde分別為接收天線和檢波器的反射系數.

系統失配誤差服從反正弦分布,則由連接失配引入的不確定度為

(14)

2.7測量環境影響引入的不確定度

HPM輻射場功率密度測量通常在微波暗室或室外開闊場地中開展,測量環境影響會引入一定的不確定度. 在外場測量中,通常采用在收發天線間地面鋪設吸波材料或架高HPM源與測量系統的方法來抑制地面反射影響[11],這些措施只能降低但無法消除測量環境影響.

假設采取措施后測量環境影響被抑制在±δp(單位dB)范圍以內,其概率服從三角分布,則由測量環境影響引入的不確定度可表示為

(15)

3 測量不確定度的合成

根據數學模型將上述各主要測量不確定度進行合成,得到HPM輻射場功率密度測量的合成不確定度為

(16)

工程中包含因子通常取k=2,則HPM輻射場功率密度測量的擴展不確定度為

U=2uS．

(17)

4 結 論

本文對HPM輻射場功率密度測量的不確定度進行了較為系統和全面的分析. 根據HPM輻射場功率密度測量方法建立了數學模型并分析了測量不確定度的主要來源,研究給出了每項不確定度分量的分析方法及測量不確定度的合成方法. 論文的研究工作對完善HPM輻射場功率密度測量結果和研究制定降低測量不確定度的有效措施具有一定的指導意義.

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劉英君(1981—),女,山東人,碩士,工程師,主要從事高功率微波測試與計量工作.

晏峰(1982—),男,陜西人,碩士,工程師,主要從事高功率微波測試與計量工作.

景洪(1983—),男,四川人,碩士,工程師,主要從事高功率微波測試與計量工作.

Measurementuncertaintyonpowerdensityofhighpowermicrowaveradiation

LIUYingjunYANFengJINGHongXIONGZhengfengHAOWenxiYANGMeng

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Radiation field measurement is an important means of testing the output index of high power microwave systems. With the development of high power microwave measurement technology, the stability and reliability of measurement system has been improved continuously, and measurement uncertainty as an important part of the complete results is getting more attention. The methods for measuring the radiated power density of high power microwave and system composition is introduced in this paper. The mathematical model of power density measurement is set up and the main source of measurement uncertainty is proposed. Measurement uncertainty components such as calculation of the input power of detector, calibration of the effective area of receiving antenna, calibration of the attenuation departments and mismatch of the complicated measurement system with multiple devices are analyzed. The combined method of measurement uncertainty on power density of high power microwave radiation is also presented. The presented combined uncertainty method is with scientific and practical values, and can improve the measurement results.

high power microwave; power density of radiated field; measurement system; measurement uncertainty; combined uncertainty

劉英君, 晏峰, 景洪, 等. 高功率微波輻射場功率密度測量不確定度分析方法[J]. 電波科學學報,2017,32(4):398-402.

10.13443/j.cjors.2017051901

LIU Y J, YAN F, JING H, et al. Measurement uncertainty on power density of high power microwave radiation[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):398-402. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017051901

TM931

A

1005-0388(2017)04-0398-05

DOI10.13443/j.cjors.2017051901

2017-05-19

國家863計劃項目(2015AA8035039A)

聯系人： 劉英君 E-mail: lyj02011@163.com