一種微波功率計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
摘要:針對傳統(tǒng)的手工校準(zhǔn)微波功率計的局限性,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Visual Basic軟件平臺組建的微波功率計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。詳細闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、工作原理、應(yīng)用程序的設(shè)計以及不確定度的分析和評定。實際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)具有操作使用方便、測量精度高等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞:微波功率計;自動校準(zhǔn);Visual Basic軟件;模塊化;樹形結(jié)構(gòu)
0 引言
微波功率是工業(yè)科研、生產(chǎn)中有關(guān)測量的重要參數(shù)。微波功率計具有測量功率動態(tài)范圍大,頻率范圍寬等特點,廣泛應(yīng)用于雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)中。如在使用雷達進行跟蹤測試時,首先要確定雷達的作用距離,這就必須測量雷達發(fā)射機的發(fā)射功率,因而微波功率計的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。校準(zhǔn)微波功率計的傳統(tǒng)方法是采用標(biāo)準(zhǔn)微波功率計進行手動測試校準(zhǔn)對比結(jié)果,步驟復(fù)雜,精度低,耗時長。針對該問題,本文設(shè)計并實現(xiàn)了0.05~26.5 GHz的微波功率計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組建、校準(zhǔn)原理和方法
微波功率校準(zhǔn)的主要任務(wù)是建立功率標(biāo)準(zhǔn),進行功率量值的傳遞和保證其量值準(zhǔn)確一致。目前最常用的功率量值傳遞方法有交替比較法、傳遞標(biāo)準(zhǔn)法和六端口法。其中,傳遞標(biāo)準(zhǔn)法是目前廣泛使用的一種微波功率量值傳遞方法,采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)法可以確保功率量值傳遞的準(zhǔn)確度,因此本文利用傳遞標(biāo)準(zhǔn)法建立0.05~26.5 GHz頻段的測量標(biāo)準(zhǔn),其測量標(biāo)準(zhǔn)組成及其測試框圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用一個三端口器件、標(biāo)準(zhǔn)功率座及標(biāo)準(zhǔn)功率指示器構(gòu)成傳遞標(biāo)準(zhǔn);由于功分器的工作頻率范圍(0.05~26.5 GHz)相對于定向耦合器寬且易于實現(xiàn),以及便于實現(xiàn)完全的自動化校準(zhǔn)測試,故采用對稱性良好的功分器作為三端口器件。傳遞標(biāo)準(zhǔn)中沒有外接PIN電調(diào)衰減器,而是將由功率計探頭檢測出的電壓送到信號發(fā)生器,并與信號發(fā)生器內(nèi)部的參考電壓比較,從而建立穩(wěn)幅環(huán)路,獲得了反射系數(shù)小的等效信號源。該傳遞標(biāo)準(zhǔn)由高一級的功率標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo),確定出校準(zhǔn)因子Kc,然后用于校準(zhǔn)被檢功率敏感器。
該校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功分器、標(biāo)準(zhǔn)功率座(功率敏感器)和標(biāo)準(zhǔn)功率指示器以及計算機等組成。當(dāng)功分器的測試端口接入被校的功率敏感器時,入射到被校功率計的微波功率為:
式中:Pu為被校功率敏感器的替代功率,即功率指示器的讀數(shù),單位為mW;Pe為標(biāo)準(zhǔn)功率座的替代功率,即標(biāo)準(zhǔn)功率指示器的讀數(shù),單位為mW;Γge,Γu分別為等效信號源以及被校功率敏感器的反射系數(shù)。
實際校準(zhǔn)時,由于反射系數(shù)項|1-ΓgeΓu|2中的反射系數(shù)相位無法確定,根據(jù)該項所引入的誤差限相位組合最壞情況分析,可將該項近似分析為1;該項將在不確定度分析時給予考慮。于是,可以簡化為:
2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)
本文的微波功率自動校準(zhǔn)系統(tǒng)采用Visual Basic6.0軟件平臺進行設(shè)計開發(fā),通過IEEE 488接口對各個設(shè)備進行控制。在軟件的設(shè)計中,采用了自頂向下的樹形結(jié)構(gòu),并且引入模塊化的設(shè)計思想。
根據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)法微波功率傳遞系統(tǒng)的手動校準(zhǔn)步驟和經(jīng)驗,在開發(fā)平臺Visual Basic 6.0上按流程圖2編制完成了功率傳遞系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)測試程序,通過預(yù)先設(shè)置好初始參數(shù)(如:起始測試頻率、結(jié)束測試頻率、被檢功率座型號和序號等),系統(tǒng)在計算機的控制下,運行功率計、校準(zhǔn)測試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、存盤打印等子程序,實現(xiàn)全頻段的自動測試。程序運行過程如程序流程圖2所示。
該程序經(jīng)調(diào)試和運行,已實現(xiàn)了微波功率計校準(zhǔn)的自動化。其主界面的結(jié)構(gòu)如圖3所示??刂瞥绦虻母鱾€功能模塊具有很強的內(nèi)聚性,模塊之間的相互通信由主程序來統(tǒng)一調(diào)度,人機界面十分友好,在測試的過程中還有相應(yīng)的提示。
經(jīng)過與原來的手動校準(zhǔn)相比較,該自動校準(zhǔn)系統(tǒng)具有自動化程度高、校準(zhǔn)效率高、操作簡易的三大優(yōu)勢。
3 系統(tǒng)的測量不確定度分析
采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)法,計算被校功率敏感器校準(zhǔn)因子的測量不確定度主要來源有:
(1)標(biāo)準(zhǔn)功率座校準(zhǔn)因子Kc不確定度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1。
該功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)高一級功率標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)后,給出的允許誤差項誤差極限為:±3%~±4%,設(shè)為均勻分布,則相應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
(2)標(biāo)準(zhǔn)功率座的替代功率測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。
該替代功率由標(biāo)準(zhǔn)功率指示器測量的,其功率指示器的允許誤差項誤差極限為:±0.1%,設(shè)為均勻分布,則相應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
(3)被校功率計替代功率測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。
該替代功率由被校功率計功率指示器測量的,其功率指示器的允許誤差項誤差極限為:±0.5%,設(shè)為均勻分布,則相應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
(4)失配引入的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。
由失配引入的測量相對擴展不確定度U(M)=2|ΓgeΓu|,按B類不確定度評定,M的可能值服從反正弦分布,包含因子。測量得出的等效信號源反射系數(shù)為0.05,被校功率計的反射系數(shù)為0.05~0.16,其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4為:
(5)各種隨機影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5。
由環(huán)境條件不理想、接頭連接不重復(fù)性等各種隨機因素,引入了測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量,其通常采用實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征,用A類不確定度評定方法進行評定,因此該項標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
由以上合成為:
因此,該校準(zhǔn)系統(tǒng)傳遞標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)因子的擴展不確定度為:
U=kuc=2uc=3.8%~5.2%
滿足了計量傳遞標(biāo)準(zhǔn)的要求。
4 結(jié)語
微波功率自動校準(zhǔn)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的手工校準(zhǔn)功率計的手段,顯著地提高了校準(zhǔn)工作的效率,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,操作方便,保證了測量不確定度,滿足了計量傳遞的要求,實現(xiàn)了微波功率計校準(zhǔn)過程的自動化和一定程度的智能化。