微波功率测量及误差分析

微波功率测量及误差分析1引言功率测量是微波测量的重要参数之一。确定振荡源的输出功率、接收机的测试准确度和接收灵敏度、放大器的增益、无源器件的衰减损耗等都离不开功率的测量。因此在科研与实际工作中微波功率的准确测量就显得尤为重要，本文试图简述一些基本的微波功率测量方法，然后分析几种常见的误差来源和减小误差的方法。2微波功率标准近年来随着微波理论技术的完善和硬件技术的进步，微波设备与测量仪器数量和型式日益繁多。相应地建立起微波功率、阻抗、频率(波长)及其二次电参量(如衰诚、介质损耗、品质因数等)的标准与基准装置，以使实用和生产中如微波仪器标准化，成为国际上一个普遍重视的问题。以下就微波小功率标准情况概略介绍一下。微波功率是微波测量中一个重要的项目,不论研究微波线路或微波管,都需进行功率测量，因而功率测量获得飞速发展。目前，其侧量范围约从18-10瓦到710瓦，功率频谱到100千兆赫，精度从百分之几十提高到0.1%左右。测量方法很多，低频时测定电压和电流来确定功率的方法到高频就行不通了，大多数是将电磁能转换成光、力、热等量再进行测量。近年各国普遍展开了微波功率标准的研究。但至今尚未完全解决。它远不像在频率标准上早已确定了以地球的自转周期(平均太阳日)作为频率终极标准或近年来发展起来的利用某些物质分子光谱中的吸收线、发射线以及某些原子跃迁过程来作为频标。微波功率标准从1954年在荷兰海牙召开的第11届国际电波科学联合大会(U、R、S、I)以来,加强了微波小功率标准的研究和国际比较工作。看来，微波小功率标准沿着两个方向发展，即基于电磁波辐射压力的“有质”效应法和电磁波热效应的焦耳热法。它们是建立在质量、时间、长度或直流电量基础上的，因而具有很高的精确度，可作为功率标准或基准。基于电磁波力效应的“有质”功率计是利用电磁波作用在置于波导或谐振腔内反射元件上的压力。双片扭刀式瓦特计已成功地在X带10至200瓦范围内达到士1%精度。目前建立1-100毫瓦内的该种小功率计尚待研究和改进。基于电磁波热效应的焦耳热式功率计主要有测辐射热法和量热法两种。约在1954年前，实用的小功率计多利用测辐射热电桥功率计作为标准。美国贝尔实验室保存有三种不同形式的高频功率标准。其中低功率测热电阻桥功率计量程在1-100毫瓦内，精度达到%5。由于电桥电路采用了一个良好的恒流电源(稳定度为每小时510.1，曾在5-10分钟内观察到稳定度为6101，因此下限降到100微瓦。英国研制的一种自平衡直读式测热电桥功率计能在20微瓦-5毫瓦上测量，在1毫瓦时精度达到%2。3微波功率测量中常见的误差3.1微波测量的误差来源在微波功率测量中，根据理论分析和实际测量，我们确定误差来源主要有以下六大类。其中前三类测量误差，是微波功率测量误差的主要来源，而后三类对测量值误差的影响可以忽略。(l)失配误差；(2)功率计固有误差；(3)被测系统幅度和频率不稳定引人的误差；(4)同轴接头引人的误差；(5)环境误差；(6)人员误差。3.2误差分析一般来说,由失配所引起的测量误差是各项误差中较复杂的一项。而且也是最主要的误差来源。因此，下面主要对失配引起的误差进行分析。在微波功率测量中，对于“功率”就有许多不同的定义和物理意义，臂如在信号源的输出功率测量中，通常可遇到四种“功率概念”，现综述如下：（1）GP：信号源可利用功率。定义为当信号源阻抗与负载阻抗复数共扼时，信号源的净功率输出，或信号源的最大功率输出。（2）0P：信号源传输到无反射负载(或功率计)上的功率。其中0P与GP直接的关系是)||1(20GGPP其中G为信号源反射系数。（3）IP：信号源人射到任意负载(或功率计)上的功率。一般可称为人射功率。IP和GP是：22|1|||1LGGGIPP(1)(4)LP:：信号源耗散在任意负载(或功率计)上的功率，即负载吸收的功率。LP和GP是：222|1|)||1)(||1(LGLGGLPP(2)在我们通常进行的测量中，功率计指示值即为LP。被测系统的输出功率即为LP。。此时，由于被测系统反射系数0G,，功率探头反射系数0L，，则势必在测量中产生失配误差。图1所示为普遍失配的微波功率测量系统,G为信号源的输出反射系数,L为功率传感器的输入反射系数在信号源和功率传感器之间一般要经过一段特性阻抗为0Z的传输线。图1一般的微波功率测量系统首先，设功率传感器的输人阻抗为LZ，若0ZZL，即00ZZZZLLL,此时功率传感器成为无反射匹配负载，从而得出功率0P。反之，若0ZZL则则功率传感器就会反射出部分功率,从而产生功率计的实际指示值与0P之间的误差。其次，当信号源的输出阻抗0ZZg则信号源与0Z传输线之间也不满足无反射匹配的要求。也会反射出部分功率。这时入射和反射波将在功率传感器与信号源之间多次来回反射,产生功率计的实际指示值与0P之间的误差。而该误差不仅与L和g的大小有关。而且与其它们的相位有关。而此相位关系一般又很难确定,成为一项不确定性误差。以上两项误差统称为失配误差。是系统不匹配引起的。例如，设信号源的输出电压驻波比为1.9时，即对应的反射系数||g为0.33。功率传感器的输人电压驻波比为1.5时。即对应的反射系数||L为0.2此时误差就高达%4.12。4误差的解决办法4.1接入90°移相器消除失配误差为了消除或减小这种误差，则需要的调配方法和操作相当复杂，或对功率探头提出很苛刻的匹配指标,很不实用。本文提出在“头”的前面插入一段具有一定精度的90°移相器(或1/4波长传输线)，如方框图2所示，读取移相分别为0°和90°时功率显示值，取900LLPP和的平均值：)(21900LLLPPP(3)作为测量值，就能基本上消除失配误差。下文就先进行理论分析，再用实验验证。图2接入移相器的功率测量系统在微波功率测量中,功率方程为：20222|1||1|)||1)(||1(LgaLgLGaLPPP（4）上式反映了对于失配的微波功率测量系统，功率源能提供的最大功率aP和负载实际显示功率LP与失配量（Lg、）的关系。其中||||Lg、属于上述确定的系统误差，所以0aP是可以根据aP及||||Lg、修正而得。而对于分母2|1|Lg这样的误差因子，要确定其大小，不仅要知道Lg、的模，而且要求知道它们各自的相位。由于Lg、的相位不确定，所以2|1|Lg属于不确定的系统误差，即失配误差，一般不能修正而只能估计它的限度为222||||1|1|||||1）（）（LgLgLg（5）所以失配误差因子2|1|Lg的极限值约为）（|||2|1Lg，即由它产生的最大相对误差为：||||2maxLg（6）如图2所示，若接入一个反射小、损耗低的移相器，在参考面上的原反射系数为0L,被移相90°后新的反射系数018009020LjLjLee，设jjLgLgBee||。移相角度0°时的功率计显示值(即“头”的吸收功率)，则由式（4）得：200|1|jaLBePP（7）同理移相90°时，负载的吸收功率2090|1|jaLBePP（8）因1||BLg,应用二项式定理，并略去高次项得900LLPP和的平均值)(21900LLLPPP此时，其误差最大相对值为：22max||33LgB（9）如果2.0||,33.0||Lg时，误差最大值%3.1max，大大低于前面所述的%13。4.2其他减小误差的方法通过以上分析可以看出，在微波功率测量时，若不给以足够的重视，不采取相应措施，误差是很大的，但若采取以下办法，仍然可以在测量中得到比较满意的结果。（1）减小使用功率计的本身的误差需要在对所使用功率计的计量过程中由计量人员进行。即在计量系统上把被检功率计指示值调整到与标准功率计指示值调尽可能一致。或给出修正值以便对测量结果进行修正。(2)根据被测源频率选择适当的校准因子在微波功率测量中，在校准时应针被测信号源的频率的不同，选择不同的校准因子，尽量做到使校准误差最小。(3)减小失配误差采用反射系数小的功率计，如HP436A、HP437B等，以减小L，在被测源的输出端加优质隔离器以减小G。此时，G近似等于隔离器的输出端的反射系数，G将大大减小。一般较好的隔离器输出端反射系数09.0G。HP436A功率计探头反射系数典型值为07.0L，则失配误差为：%26.10126.009.007.02||||2GL通过分析可知:采取适当措施可大大减小测量误差，对于精密测量尤其应给予足够重视。5结论微波功率测量看起来简单，但是想得到精确的测量结果是非常困难的。只有掌握了测量误差的属性，采取适当的措施，才能得到期望的结果。在测量过程中，系统若有任何的接触不良，都将耗散相当多的功率能量，并有烧坏被测源的危险，在较大功率测量中尤其值得注意。因此，期望每个从事功率测量的人员都应考虑所能产生测量误差的各个因素，根据不同的需要选用相应的功率计，采用适当的测量方法，小心地连接您的系统，以便测出满意的结果。另外，对于微波功率测量的失配系统，插入一个移相器（移相范围大于180°)，调节其相移就可得到功率指示的变化值，最小值与最大值之差就反映该系统的失配程度。根据测量精度的要求，就可判断这种失配是否需要改善。这一方法笔者在大功率测量中曾用过多次，很见效。因为这种失配情况用冷测（小信号）无法准确判断。参考文献【1】《微波测量》，汤世贤，董树义，西安电子科技大学出版社.【2】微波功率测量的误差分析,李宝莲,杨社年,中国电子科技集团第54研究所.【3】微波功率测量中消除失配误差的研究,吴万祥,吴契,2004.8