射頻中功率量值準(zhǔn)確測(cè)量的研究

一、引言

隨著通信、廣播電視行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)射頻中功率的準(zhǔn)確測(cè)量的要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)發(fā)射機(jī)測(cè)試，基本都是要求在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。對(duì)射頻中功率測(cè)試的最簡(jiǎn)單的方法是采用功率計(jì)法，但測(cè)量不確定度只能達(dá)到8%~ 10% ，有時(shí)無(wú)法滿足要求。為此，我們采用大功率衰減器和小功率計(jì)組合完成射頻中功率的測(cè)量，測(cè)量不確定度達(dá)到了5% ，能夠滿足目前多數(shù)射頻中功率測(cè)量的要求。

二、方案選擇

我們選擇Weinschel Crop.的大功率衰減器40-40-43和R/S公司的功率計(jì)NRVS組成這套測(cè)量系統(tǒng)。大功率衰減器40-40-43是一個(gè)40dB、最大連續(xù)波輸入150W，工作頻率范圍DC~ 1.5GHz的固定衰減器，功率計(jì)NRVS的測(cè)量范圍是10MHz~ 18GHz、1nW~20mW.整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍為頻率:10MHz~ 1GHz、功率： <50W.

1.測(cè)量原理

該方法測(cè)量的原理如圖1所示。

圖中：

PS為小功率座吸收的凈功率;

PL為大功率衰減器輸入端吸收的凈功率;

PG0為被測(cè)信號(hào)源連接無(wú)反射負(fù)載時(shí)的輸出功率;

ΓS為小功率座輸入端的反射系數(shù);

ΓL為衰減器輸入端的反射系數(shù);

ΓG為被測(cè)信號(hào)源輸出端的反射系數(shù)。

將衰減器作為二端口網(wǎng)絡(luò)，可得到被測(cè)信號(hào)的無(wú)反射負(fù)載輸出功率PG0表示式如下：

式中S11、S12、S21、S22是衰減器的四個(gè)散射參數(shù)。

根據(jù)衰減的定義可知：

上式中失配項(xiàng)用M表示，即

式( 4)改寫

為設(shè)PbS為小功率計(jì)的直流(或音頻)替代功率， K為小功率座的校準(zhǔn)因子。則凈功率PS可用下式表示：

可見(jiàn)，已知衰減器的衰減量A′和小功率座的校準(zhǔn)因子K ，就可由替代功率PbS求得功率PG0，

2.測(cè)量方案

本測(cè)量系統(tǒng)中的衰減器和功率計(jì)定標(biāo)值如表1、表2所示，其中UA′M是衰減器定標(biāo)值的擴(kuò)展不確定度，UK是功率座校準(zhǔn)因子定標(biāo)值的擴(kuò)展不確定度。

3.不確定度分析

考慮到衰減器的衰減量會(huì)隨輸入功率的變化而變化，用衰減基準(zhǔn)對(duì)其定標(biāo)時(shí)，是在小功率信號(hào)輸入時(shí)進(jìn)行測(cè)量的，而在實(shí)際測(cè)量中輸入的是大功率信號(hào)，因此必須考慮它給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的不確定度。

Weinschel公司給出了大功率衰減器40-40-43在使用時(shí)功率對(duì)衰減量值的影響關(guān)系，如下式所示：

ΔA<0.0001A·P ( dB) ( 8)

式中ΔA是衰減器的衰減變化量： A是衰減器的衰減量： P衰減器的輸入功率的大小，由公式計(jì)算可得，在40dB，50W的使用情況下，衰減變化量小于0.2dB.

考慮到廠家給出的衰減量變化比較保守，同時(shí)衰減量變化隨著通過(guò)功率的增大而增大，我們對(duì)衰減器在常溫下和長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)50W功率信號(hào)后的衰減量分別進(jìn)行了測(cè)量。

表3是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量在常溫下和通過(guò)50W功率后衰減器的衰減值。表中UA′T是由于50W輸入功率引起的A′標(biāo)準(zhǔn)不確定度，假定其服從均勻分布。

由前面分析可得， PG0測(cè)量不確定度用式(7)計(jì)算式中：

uP為PG0測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;UA′M為高功率衰減器定標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度; UA′T為高功率衰減器測(cè)量大功率信號(hào)時(shí)衰減變化的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;uS為PS測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度; uM為系統(tǒng)失配的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

對(duì)于NRVS小功率計(jì)，其PS測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式( 10)表示，具體數(shù)值見(jiàn)表2.

式中： uPbs為小功率座直流替代功率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，對(duì)NRVS小功率計(jì)<0.3%; uK為小功率座校準(zhǔn)因子的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

衰減器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度包括兩部分，一部分是衰減器在常溫下的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，見(jiàn)表1中所示;另一部分是在進(jìn)行大功率測(cè)量時(shí)，衰減器由于輸入大功率信號(hào)后溫度上升引起的衰減量的不確定度，這部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表3中所示。

失配引起的不確定度由式(11)計(jì)算

式中：ΓG = 0.3為被測(cè)信號(hào)反射系數(shù); ΓS = 0.02為小功率座輸入端的反射系數(shù); S11<0. 0050為輸入反射系數(shù); S12 ≈0.01為反向傳輸系數(shù); S21 ≈0.01為正向傳輸系數(shù); S22<0.005為輸出反射系數(shù)。

按式(11)計(jì)算可得： UM <0. 32%對(duì)于UA′M ，由于(k= 2) ，則uA′M =UA′M/ 2.詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.對(duì)于US ，由于(k= 2) ，則uS = US / 2.詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.對(duì)于uA′T，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.對(duì)于UM ，由于( k= √2) ，則uM = UM / 2.

按式( 9)計(jì)算，可得功率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度up見(jiàn)表4所示。取k= 2，置信水準(zhǔn)95%，其擴(kuò)展不確定度UP見(jiàn)表4所示。

三、結(jié)論

經(jīng)測(cè)量和不確定度分析，該裝置測(cè)量不確定度小于5%.是一種比較好的解決射頻中功率量值準(zhǔn)確測(cè)量的方法。