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仪器设备校验之中功率功率计的校验研究

编辑:永利电玩城????来源:未知????发布时间:2018-08-02 14:03????浏览量:

仪器设备校验

功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头,它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。 功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要,一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。功率计是当代电子信息技术研究中非常关键的测量仪器,主要用于无线通信及电磁技术研究中的高频信号的功率测量,其测量准确度对于高频器件、天线设计、无线通信系统的研制及航天军工领域的信息技术研究均至关重要。按测量功率范围分类,可分为大功率、中功率和小功率功率计。中功率功率计目前广泛应用于无线通信基站、小型无线通信系统的研制与测量中,大量应用于民用和军用领域,其市场保有量巨大,仪器设备校验需求旺盛,而且大部分都是进口品牌的产品,准确度较高,对测量要求十分严格。
 
目前,中国计量科学研究院已建立有微波小功率基准,毫瓦及微瓦级的小功率计可通过相应的工作标准溯源到小功率基准。而中功率校验,目前我院主要开展频率范围为1MHz~1GHz、功率范围为(0.5~10)W的业务,而由于提升中功率信号测量准确度较为困难,通常中功率工作标准是采用小功率计加中功率衰减器的方式溯源到小功率基准。
 
一、中功率探头分类校验思路
 
按功率计在测试系统中的连接方式分类,功率计可分为终端式和通过式两种。终端式功率计把功率计探头作为测试系统的终端负载,功率计吸取全部待测功率,由功率指示器直接读取功率值。通过式中功率计是利用某种耦合装置(如定向耦合器、耦合环、探针等),从传输的功率中按一定的比例耦合出一部分功率,送入功率计度量,传输的总功率等于功率计指示值乘以比例系数。对这两类中功率计的校验,分别采用如图1、图2所示的校验思路。
 
这里,信号源和功率放大器提供中功率信号输出;被测功率计为中功率计,直接接收中功率信号并给出示数;同时另一路信号通过衰减器衰减后输出给标准功率计读数。标准功率计示数进行衰减修正后与被测功率计示数比对,从而完成对被测功率计的校验。当然,对一个功率计的校验,需要做多频点、多功率值的测量。这里的标准功率计是小功率计,作为工作标准,其量值可溯源至国家微波小功率基准。
 
二、中功率校验存在的问题及解决办法
 
由于谐波和噪声对功率探头影响较大,不同类型、不同频段或不同厂家的功率探头特性不尽相同,当用于参考的功率信号进入被测功率计中,较大的谐波会导致很大的读数差异。因此,对于校验中功率探头的激励源,其输出信号的功率大小,信号的纯净度和稳定度是校验装置的核心问题。目前,有两种方案可供选择,一是使用功率放大器加滤波器的方案,二是采用点频功率源的方案。结合现有条件和出于校验灵活性的考虑,本文采用前者为主要方案。
 
此外,系统中的衰减器、滤波器、定向耦合器等无源器件,在较大的功率下产生的热量,也会对这些无源器件的幅频特性产生影响。
 
本文采用高精度信号源及功率放大器产生的中功率等级的高频信号,并通过指定频点的带通滤波器消除由功放和噪声产生的不需要的谐波分量和噪声,从而保证信号的纯净度。再将信号通过衰减器将其衰减至小功率信号,通过作为传递标准的小功率计溯源至小功率基准。以此对一个作为标准的中功率探头进行定标。
 
整个过程中,比较关键的部分就是对功率放大器输出信号进行滤波,只有有效抑制其中的谐波分量和噪声,才能得到该测量频率的准确可供参考的功率信号。有两种方案对信号进行滤波,一是使用低通滤波器,该类型滤波器利用LC网络进行工作,可较好抑制截止频率以上的信号,其优点是功率损失较小,承受功率大,同样功率等级的放大器,可增大功率测量范围,但缺点则是对噪声的抑制较为薄弱。二是使用带通滤波器,该类型滤波器则是利用腔体谐振特性进行工作,可对通带外的信号进行抑制,该滤波器优点是能够有效的降低信号噪声,承受大功率,但不利之处是损失功率较大,会降低功率测量范围。本文以提高测量准确性为目标,拟采用带通滤波器作为中功率标准装置的信号滤波方式,同时,要满足1MHz~3GHz频段内的多个测量频点,应采用约20个不同中心频率的带通滤波器组成滤波器组进行工作。
 
为避免测量中切换频率而导致频繁在不同滤波器间切换电缆和接头,提高测量的重复性和可靠性,还需要一套高精度同轴开关箱,其配合滤波器组组成一套可调带通滤波器组装置,测量中,只需切换同轴开关,即可选择要测量的频点。
 
使用滤波器后,可极大地减少谐波和噪声对测试的影响,降低由信号激励产生的不确定度分量,而对于无源器件温升引起的不确定度,可采用相对测量法将其忽略掉。即先对一个作为参考标准的中功率计的功率值进行计量,并使用经小功率基准溯源的小功率计作为监视功率计。对被测功率计校验时,将其接在参考中功率计后端,同时,以监视功率计为准,将信号调节至指定功率,记录参考功率计和被测功率计的值,对比参考功率计的两次差值,即可抵消无源器件带来的影响,而只需考虑失配问题。另外,在选购无源器件时,尽可能的选择较大功率器件,当大家使用较低功率时,可获得更好的线性特性。图3为改进后的中功率校验装置的基本框图。根据目前市场主流中功率功率计的指标要求及现有条件,建立的中功率标准的频率范围为1MHz~3GHz,可校验功率范围为1W~50W。
 
三、中功率自动校验的实现
 
功率计的日常校验量大繁琐,完全依靠检定员手动操作各个仪器以及记录数据,工作量很大,并且容易出错。对这种程式化的工作如果能够实现自动仪器设备校验,将极大地提高工作效率,可将检定员从繁重的校验工作中解放出来,有助于检定员对日常工作的提炼总结、提高服务品质。
 
如图3所示中功率校验装置框图,在实际校验过程中,需要反复进行操作的仪器主要有信号源、衰减器、滤波器以及功率计,需要根据不同的测试点(频率值、功率值)对这些仪器进行相应的设置和读数。LabView在控制仪器方面有着天然的优势,因而基于LabView的仪器控制App的编写从而实现自动校验就成为首选。首先,根据被测功率计的频率范围和功率范围制定相应的测试列表,这个测试列表包含了所有的测试项目、测试点以及仪器设置参数,即为数据模板。然后,运行PC机上的LabView程序通过调用数据模板,顺序通过GPIB接口对测试标准器进行设置,再把功率计的示数读出存于数据模板,循环直至完成所有测试点,数据模板另存形成原始记录。最后,将原始记录按照证书格式要求填数即可。这个过程实现了仪器设备校验的自动化,其控制关系如图4所示。
 
四、结束语
 
功率是现代无线电领域的最重要参数之一,同低频电压表测电压、电流表测电流参数一样,功率计是射频、微波频段测功率的最重要仪表。本文中,笔者基于从事中功率校验工作多年的经验,就中功率仪器设备校验过程中存在的问题以及解决方法进行先容,并提出了自动化校验的思路,以期应对量大繁杂的日常仪器设备校验,提高效率和服务品质

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