微波功率測量及誤差分析

1、微波功率測量及誤差分析1 引言功率測量是微波測量的重要參數(shù)之一。確定振蕩源的輸出功率、接收機的測試準確度和接收靈敏度、放大器的增益、無源器件的衰減損耗等都離不開功率的測量。因此在科研與實際工作中微波功率的準確測量就顯得尤為重要，本文試圖簡述一些基本的微波功率測量方法，然后分析幾種常見的誤差來源和減小誤差的方法。2 微波功率標準近年來隨著微波理論技術(shù)的完善和硬件技術(shù)的進步，微波設備與測量儀器數(shù)量和型式日益繁多。相應地建立起微波功率、阻抗、頻率(波長)及其二次電參量(如衰誠、介質(zhì)損耗、品質(zhì)因數(shù)等)的標準與基準裝置，以使實用和生產(chǎn)中如微波儀器標準化，成為國際上一個普遍重視的問題。以下就微波小功率標準

2、情況概略介紹一下。微波功率是微波測量中一個重要的項目,不論研究微波線路或微波管,都需進行功率測量，因而功率測量獲得飛速發(fā)展。目前，其側(cè)量范圍約從瓦到瓦，功率頻譜到100千兆赫，精度從百分之幾十提高到0.1%左右。測量方法很多，低頻時測定電壓和電流來確定功率的方法到高頻就行不通了，大多數(shù)是將電磁能轉(zhuǎn)換成光、力、熱等量再進行測量。近年各國普遍展開了微波功率標準的研究。但至今尚未完全解決。它遠不像在頻率標準上早已確定了以地球的自轉(zhuǎn)周期(平均太陽日)作為頻率終極標準或近年來發(fā)展起來的利用某些物質(zhì)分子光譜中的吸收線、發(fā)射線以及某些原子躍遷過程來作為頻標。微波功率標準從1954年在荷蘭海牙召開的第11屆國

3、際電波科學聯(lián)合大會(U、R、S、I)以來,加強了微波小功率標準的研究和國際比較工作?？磥恚⒉ㄐ」β蕵藴恃刂鴥蓚€方向發(fā)展，即基于電磁波輻射壓力的“有質(zhì)”效應法和電磁波熱效應的焦耳熱法。它們是建立在質(zhì)量、時間、長度或直流電量基礎上的，因而具有很高的精確度，可作為功率標準或基準。 基于電磁波力效應的“有質(zhì)”功率計是利用電磁波作用在置于波導或諧振腔內(nèi)反射元件上的壓力。雙片扭刀式瓦特計已成功地在X帶10至200瓦范圍內(nèi)達到士1%精度。目前建立1-100毫瓦內(nèi)的該種小功率計尚待研究和改進。基于電磁波熱效應的焦耳熱式功率計主要有測輻射熱法和量熱法兩種。約在1954年前，實用的小功率計多利用測輻射熱電橋功率

4、計作為標準。美國貝爾實驗室保存有三種不同形式的高頻功率標準。其中低功率測熱電阻橋功率計量程在1-100毫瓦內(nèi)，精度達到。由于電橋電路采用了一個良好的恒流電源(穩(wěn)定度為每小時，曾在5-10分鐘內(nèi)觀察到穩(wěn)定度為，因此下限降到100微瓦。英國研制的一種自平衡直讀式測熱電橋功率計能在20微瓦-5毫瓦上測量，在1毫瓦時精度達到。3 微波功率測量中常見的誤差3.1 微波測量的誤差來源在微波功率測量中，根據(jù)理論分析和實際測量，我們確定誤差來源主要有以下六大類。其中前三類測量誤差，是微波功率測量誤差的主要來源，而后三類對測量值誤差的影響可以忽略。(l) 失配誤差；(2) 功率計固有誤差；(3) 被測系統(tǒng)幅度和

5、頻率不穩(wěn)定引人的誤差；(4) 同軸接頭引人的誤差；(5) 環(huán)境誤差；(6) 人員誤差。3.2 誤差分析一般來說,由失配所引起的測量誤差是各項誤差中較復雜的一項。而且也是最主要的誤差來源。因此，下面主要對失配引起的誤差進行分析。在微波功率測量中，對于“功率”就有許多不同的定義和物理意義，臂如在信號源的輸出功率測量中，通?？捎龅剿姆N“功率概念”，現(xiàn)綜述如下：（1）：信號源可利用功率。定義為當信號源阻抗與負載阻抗復數(shù)共扼時，信號源的凈功率輸出，或信號源的最大功率輸出。（2）：信號源傳輸?shù)綗o反射負載(或功率計)上的功率。其中與直接的關(guān)系是其中為信號源反射系數(shù)。（3）：信號源人射到任意負載(或功率計)上

6、的功率。一般可稱為人射功率。和是： (1)(4) :：信號源耗散在任意負載(或功率計)上的功率，即負載吸收的功率。和是： (2)在我們通常進行的測量中，功率計指示值即為。被測系統(tǒng)的輸出功率即為。此時，由于被測系統(tǒng)反射系數(shù),，功率探頭反射系數(shù)，則勢必在測量中產(chǎn)生失配誤差。圖1所示為普遍失配的微波功率測量系統(tǒng), 為信號源的輸出反射系數(shù), 為功率傳感器的輸入反射系數(shù)在信號源和功率傳感器之間一般要經(jīng)過一段特性阻抗為的傳輸線。圖1 一般的微波功率測量系統(tǒng)首先，設功率傳感器的輸人阻抗為，若，即,此時功率傳感器成為無反射匹配負載，從而得出功率。反之，若則則功率傳感器就會反射出部分功率, 從而產(chǎn)生功率計的實際

7、指示值與之間的誤差。其次，當信號源的輸出阻抗則信號源與傳輸線之間也不滿足無反射匹配的要求。也會反射出部分功率。這時入射和反射波將在功率傳感器與信號源之間多次來回反射,產(chǎn)生功率計的實際指示值與之間的誤差。而該誤差不僅與和的大小有關(guān)。而且與其它們的相位有關(guān)。而此相位關(guān)系一般又很難確定, 成為一項不確定性誤差。以上兩項誤差統(tǒng)稱為失配誤差。是系統(tǒng)不匹配引起的。例如，設信號源的輸出電壓駐波比為1.9 時，即對應的反射系數(shù)為0.33。功率傳感器的輸人電壓駐波比為1.5時。即對應的反射系數(shù)為0.2此時誤差就高達。4 誤差的解決辦法4.1 接入90°移相器消除失配誤差為了消除或減小這種誤差，則需要的

8、調(diào)配方法和操作相當復雜，或?qū)β侍筋^提出很苛刻的匹配指標,很不實用。本文提出在“頭”的前面插入一段具有一定精度的90°移相器(或1/4波長傳輸線)，如方框圖2所示，讀取移相分別為0°和90°時功率顯示值，取的平均值： (3)作為測量值，就能基本上消除失配誤差。下文就先進行理論分析，再用實驗驗證。圖2 接入移相器的功率測量系統(tǒng)在微波功率測量中, 功率方程為： （4）上式反映了對于失配的微波功率測量系統(tǒng)，功率源能提供的最大功率和負載實際顯示功率與失配量（）的關(guān)系。其中屬于上述確定的系統(tǒng)誤差，所以是可以根據(jù)及修正而得。而對于分母這樣的誤差因子，要確定其大小，不僅要知道的

9、模，而且要求知道它們各自的相位。由于的相位不確定，所以屬于不確定的系統(tǒng)誤差，即失配誤差，一般不能修正而只能估計它的限度為 （5）所以失配誤差因子的極限值約為，即由它產(chǎn)生的最大相對誤差為： （6）如圖2 所示，若接入一個反射小、損耗低的移相器，在參考面上的原反射系數(shù)為,被移相90°后新的反射系數(shù)，設。移相角度0° 時的功率計顯示值( 即“頭”的吸收功率)，則由式（4）得： （7）同理移相90°時，負載的吸收功率 （8）因,應用二項式定理，并略去高次項得的平均值此時，其誤差最大相對值為： （9）如果時，誤差最大值，大大低于前面所述的。4.2 其他減小誤差的方法通過以上

10、分析可以看出，在微波功率測量時，若不給以足夠的重視，不采取相應措施，誤差是很大的，但若采取以下辦法，仍然可以在測量中得到比較滿意的結(jié)果。（1）減小使用功率計的本身的誤差需要在對所使用功率計的計量過程中由計量人員進行。即在計量系統(tǒng)上把被檢功率計指示值調(diào)整到與標準功率計指示值調(diào)盡可能一致?；蚪o出修正值以便對測量結(jié)果進行修正。(2)根據(jù)被測源頻率選擇適當?shù)男室蜃釉谖⒉üβ蕼y量中，在校準時應針被測信號源的頻率的不同，選擇不同的校準因子，盡量做到使校準誤差最小。(3)減小失配誤差采用反射系數(shù)小的功率計，如HP436A、HP437B等，以減小，在被測源的輸出端加優(yōu)質(zhì)隔離器以減小。此時，近似等于隔離器的輸

11、出端的反射系數(shù)，將大大減小。一般較好的隔離器輸出端反射系數(shù)。HP436A功率計探頭反射系數(shù)典型值為，則失配誤差為：通過分析可知:采取適當措施可大大減小測量誤差，對于精密測量尤其應給予足夠重視。5 結(jié)論微波功率測量看起來簡單，但是想得到精確的測量結(jié)果是非常困難的。只有掌握了測量誤差的屬性，采取適當?shù)拇胧拍艿玫狡谕慕Y(jié)果。在測量過程中，系統(tǒng)若有任何的接觸不良，都將耗散相當多的功率能量，并有燒壞被測源的危險，在較大功率測量中尤其值得注意。因此，期望每個從事功率測量的人員都應考慮所能產(chǎn)生測量誤差的各個因素，根據(jù)不同的需要選用相應的功率計，采用適當?shù)臏y量方法，小心地連接您的系統(tǒng)，以便測出滿意的結(jié)果。另外，對于微波功率測量的失配系統(tǒng)，插入一個移相器（移相范圍大于180°)，調(diào)節(jié)其相移就可得到功率指示的變化值，最小值與最大值之差就反映該系統(tǒng)的失配