射频中功率量值准确测量的研究

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一、引言
        随着通信、广播电视行业的飞速发展，对射频中功率的准确测量的要求越来越高，尤其是对发射机测试，基本都是要求在现场测试。对射频中功率测试的最简单的方法是采用功率计法，但测量不确定度只能达到8%~ 10% ，有时无法满足要求。为此，我们采用大功率衰减器和小功率计组合完成射频中功率的测量，测量不确定度达到了5% ，能够满足目前多数射频中功率测量的要求。
         
        二、方案选择
        我们选择Weinschel Crop.的大功率衰减器40-40-43和R/S公司的功率计NRVS组成这套测量系统。大功率衰减器40-40-43是一个40dB、最大连续波输入150W，工作频率范围DC~ 1.5GHz的固定衰减器，功率计NRVS的测量范围是10MHz~ 18GHz、1nW~20mW.整个装置设计的测量范围为频率:10MHz~ 1GHz、功率： ＜50W.
         
        1.测量原理
        该方法测量的原理如图1所示。
       
        图中：
        PS为小功率座吸收的净功率；
        PL为大功率衰减器输入端吸收的净功率；
        PG0为被测信号源连接无反射负载时的输出功率；
        ΓS为小功率座输入端的反射系数；
        ΓL为衰减器输入端的反射系数；
        ΓG为被测信号源输出端的反射系数。
        将衰减器作为二端口网络，可得到被测信号的无反射负载输出功率PG0表示式如下：
       
        式中S11、S12、S21、S22是衰减器的四个散射参数。
       
        根据衰减的定义可知：
       
        上式中失配项用M表示，即
       
        式（ 4）改写
       
        为设PbS为小功率计的直流（或音频）替代功率， K为小功率座的校准因子。则净功率PS可用下式表示：
       
        可见，已知衰减器的衰减量A′和小功率座的校准因子K ，就可由替代功率PbS求得功率PG0，
        2.测量方案
        本测量系统中的衰减器和功率计定标值如表1、表2所示，其中UA′M是衰减器定标值的扩展不确定度，UK是功率座校准因子定标值的扩展不确定度。
       
         
       
        3.不确定度分析
        考虑到衰减器的衰减量会随输入功率的变化而变化，用衰减基准对其定标时，是在小功率信号输入时进行测量的，而在实际测量中输入的是大功率信号，因此必须考虑它给测量结果带来的不确定度。
       
       
        Weinschel公司给出了大功率衰减器40-40-43在使用时功率对衰减量值的影响关系，如下式所示：
        ΔA＜0.0001A·P （ dB） （ 8）
       
        式中ΔA是衰减器的衰减变化量： A是衰减器的衰减量： P衰减器的输入功率的大小，由公式计算可得，在40dB，50W的使用情况下，衰减变化量小于0.2dB.
         
        考虑到厂家给出的衰减量变化比较保守，同时衰减量变化随着通过功率的增大而增大，我们对衰减器在常温下和长时间通过50W功率信号后的衰减量分别进行了测量。
       
       
        表3是应用网络分析仪测量在常温下和通过50W功率后衰减器的衰减值。表中UA′T是由于50W输入功率引起的A′标准不确定度，假定其服从均匀分布。
       
       
        由前面分析可得， PG0测量不确定度用式（7）计算式中：
       
        uP为PG0测量结果的标准不确定度；UA′M为高功率衰减器定标值的标准不确定度； UA′T为高功率衰减器测量大功率信号时衰减变化的标准不确定度；uS为PS测量值的标准不确定度； uM为系统失配的标准不确定度。
       
       
        对于NRVS小功率计，其PS测量值的标准不确定度由式（ 10）表示，具体数值见表2.
       
        式中： uPbs为小功率座直流替代功率的标准不确定度，对NRVS小功率计＜0.3%； uK为小功率座校准因子的标准不确定度。
       
       
        衰减器的标准不确定度包括两部分，一部分是衰减器在常温下的标准不确定度，见表1中所示；另一部分是在进行大功率测量时，衰减器由于输入大功率信号后温度上升引起的衰减量的不确定度，这部分数据见表3中所示。
       
       
        失配引起的不确定度由式（11）计算
       
        式中：ΓG = 0.3为被测信号反射系数； ΓS = 0.02为小功率座输入端的反射系数； S11＜0. 0050为输入反射系数； S12 ≈0.01为反向传输系数； S21 ≈0.01为正向传输系数； S22＜0.005为输出反射系数。
       
       
        按式（11）计算可得： UM ＜0. 32%对于UA′M ，由于（k= 2） ，则uA′M =UA′M/ 2.详细数据见表1.对于US ，由于（k= 2） ，则uS = US / 2.详细数据见表2.对于uA′T，详细数据见表3.对于UM ，由于（ k= √2） ，则uM = UM / 2.
         
        按式（ 9）计算，可得功率测量的标准不确定度up见表4所示。取k= 2，置信水准95%，其扩展不确定度UP见表4所示。
       
       
        三、结论
        经测量和不确定度分析，该装置测量不确定度小于5%.是一种比较好的解决射频中功率量值准确测量的方法。