（通信与信息系统专业论文）国家宽带功率基准传递系统的研究.pdf

b 塞变煎厶堂殛堂鱼论塞 蝤垂 摘要 高频和微波功率是无线电计量的基本参量，其量值的准确统一为我国国防和 科技发展提供了重要的技术基础保障。为保证各级微波功率计量标准的一致性， 必须不断完善功率量值传递体系。 同轴n 型( 0 0 1 1 8 g h z ) 传递系统是目前常用高频和微波功率量值传递方法。 本文在分析现有传递标准原理的基础上，使用实验室现有设备搭建传递系统，对 微波功率校准系数不确定度的主要来源一等效源反射系数的测量方法做了重点研 究，采用蒙特卡罗方法完成对等效源反射系数和校准系数测量结果的不确定度评 定；针对现行商用功率计工作原理设计了改进的二极管式功率传感器校准系统， 并用实测结果对改进系统性能进行了详细分析和验证。 本文主要的研究成果包括： 1 ) 深入研究等效源反射系数和功率传感器校准系数的测量方法，针对测量中复 杂的随机问题和函数关系，采用不同于传统的不确定度传播率的蒙特卡罗方法评 定等效源反射系数和校准系数的不确定度，能够准确获得包含因子，不会造成传 递标准校准系数测量结果不确定度的放大； 2 ) 改进的商用功率计校准系统能够准确测量二极管式功率传感器在 0 0 1 1 8 g h z 、7 0 - 2 0 d b m 工作范围的修正系数，实验证明系统准确度优于现行功 率计厂家使用的校准系统，为二极管式功率传感器使用者提供了迸一步准确钡4 量 的依据。 关键词：功率传递标准；校准系数；等效源反射系数；修正系数：测量不确定度 分类号：t b 9 7 3 业塞窑逗厶堂亟翌僮论毫缱s 卫i 丛虿 a b s t r a c t h i 曲f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v ep o w e ri sab a s i cp a r a m e t e ri nr a d i om e a s u r e m e n t ， t h en i c e t yu n i f i c a t i o nv a l u e so fw h i c ha r eo fi m p o r t a n c et e c h n o l o g yf o u n d a t i o n a l g u a r a n t e e t oo u rn a t i o n a ld e f e n s ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y i ti so b l i g e dt o i m p r o v et h ep o w e rt r a n s f e rs y s t e mc e a s e l e s s l y m t y p en c o a x i a lp o w e rt r a n s f e rs y s t e mi sc o m m o n l yu s e df o rh i 曲f r e q u e n c y a n dm i 凹o w a v ep o w e rt r a n s f e r n et r a n s f e rs y s t e mi sd e s i g n e db ym a k i n gu s eo f e x i s t i n gl a b o r a t o r yr e s o u r c e s w i l ht h ea n a l y s i so ft r a n s f e rs t a n d a r dt h e o r i e s t h e r e s e a r c hw o r ki sf o c u s e do nt h em e a s u r e m e n to f e q u i v a l e n ts o u r c er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t ， w h i c hi st h em a i nu n c e r t a i n t ys o u r c eo fm i c r o w a v ep o w e rm e t e rc a l i b r a t i o nf a c t o r t h e m o n t ec a r l om e t h o di sa d o p t e dt oe v a l u a t i n gu n c e r t a i n t i e so fe q u i v a l e n ts o u r c e r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dc a l i b r a t i o nf a c t o r 1 1 l eo p o r a t i n gp r i n c i p l eo fc o m m e r c i a l p o w e rm e t e ri ss t u d i e dt od e s i g nt h ei m p r o v e dc a l i b r a t i o ns y s t e mf o rd i o d ep o w e r s e n s o r w i mt h em e a s u r e m c n tr e s u l t s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e ds y s t e mi s a n a l y z e da n dv e r i f i c a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) 1 1 l em a t h e m a t i c a lm o d e l so fe q m v a l e n ts o u r c em i s m a t c ha n dp o w e rm e t e r c a l i b r a t i o ni n c l u d em a n yc o m p l e xs t o c h a s t i ci s s u e sa n df u n c t i o n s t os o l v et h e p r o b l e m s ，t h em o m ec a r l om e t h o di sa p p l i e dt oe v a l u a t eu n c e r t a i n t i e so fe q u i v a l e n t s o u r c er e f l e c t i o nt o e f f c i e n ta n dc a l i b r a t i o nf a c t o r d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ll a wo f u n c e r t a i n t yp r o p a g a t i o n t h em o m ec a r l om e t h o dc 孤o b t a i nc o v e r a g ef a c t o r so f m e a s u r 踟f l e n tu n c e r t a i n t i e sa c c u r a t e l ya n dn o ti n c r e a s et h eu n c e r t a i n t i e s 2 ) t h ei m p r o v e dc a l i b r a t i o ns y s t e mc a no b t a i nc o r r e c t i o nf a c t o ro ft h ed i o d ep o w e r s d i s o ra c c u r a t e l yf r o m10 m l - i zt o18 g h za n di n c i d e n tp o w e rf o r m 一7 0 d b mt o2 0 d b m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ti ti sb e t t e rt h a nc u f r e n tc a l i b r a t i o ns e tu s e di n m a n u f a c t o r y , t h e ni tw i l lb eo f b e n e f i tt ot h eu s e r so f d i o d ep o w e rm e t e r k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f e rs t a n d a r d ；c a l i b r a t i o ns y s t e m ；e q u i v a l e n ts o u r c e r e f l e c t i o nc o e 街c i e n t ；c o r r e c t i o nf a c t o r ；m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y c l a s s n o ：t b 9 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字醐：叩年，2 罾互 月2 孓日 导师签名：， 签字日期1 年嗍日 j e 夏至埋叁堂亟堂僮i 金塞独创住应嘎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：气旨己签字开期：2 。刁年，z 月2 岁日 6 致谢 本论文的工作是在我的导师闻映红教授的悉心指导下完成的，闻映红教授丰 富的理论知识、远见的学术思想、严谨的治学态度和执着的敬业精神使我受益匪 浅。在此衷心感谢闻老师对我的精心培养和亲切关怀。 特别感谢沙斐教授，感谢他对我的关心和帮助，沙斐教授深厚的理论素养、 敏锐的学术洞察力深深的影响了我，在此向他致以深深的敬意。 特别感谢中国计量科学研究院电子信息所微波室的崔孝海老师、刘欣萌老师， 他们对我的研究工作提供了很多建设性意见并在论文进展过程中提出了有益的建 议和指导。感谢杨日老师、黄辉老师一直以来对我的帮助和支持。 感谢北京交通大学电磁兼容研究室的周克生老师、王国栋老师、朱云老师、 王风兰老师，感谢他们两年多来对我学业的帮助和生活的关心。 感谢在实验室一起度过三年时光的同学们，包括曲璐、苏立轩、陈家奎、安 皓、李静、杭晨哲、许洪岩、杨光、李潇、尹成等，感谢陈嵩博士、孟东林博士、 杨飞博士，感谢实验室里的师弟师妹们，感谢他们对我的关心和帮助，大家在一 起度过了一段愉快的时光。 我也要感谢我的父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 对参加评阅和答辩的老师同样致以诚挚的谢意! j e 塞窑通厶堂亟堂位i 金塞 i i 直 1 引言 1 1研究背景 对电子设备的各项电磁兼容性参数进行测试时，往往需提供已知功率的标准 微波信号或对微波信号的功率进行准确计量，例如中国计量科学研究院现有的 1 0 1 0 0 0 m i - i z 电场强度参考标准，就需要使用微波功率计对输出信号迸行功率计 量，如图1 - 1 所示，只有提高功率等基础参量的测量准确度才能保证电磁兼容测试 的准确度。目前我国功率量值的传递需经过多个环节，从国家功率基准经各级计 量站向下传递。因此必须建立完善的功率量值传递体系，实现功率参数的量传和 溯源，把所建立的功率标准的量值准确地传递到实际功率测量应用中，为电子产 品提供计量保障。 s m g l 2 w 9 k h z 1 g h z 功率信号源 1 0 d b2 0 w 功率衰减器 6 3 0 0 1 恒温控制器 m t c 1 0 0 0 u t e m c e l l 恒温 1 0 d b1 w 精密衰减器 r s n r v d n r v - z 5 1 微波功率计 图1 - ! i o 1 0 0 0 m h z 电场强度参考标准原理图 f i g u r e1 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f e l e c t r i c - f i e l di n t e n s i t ys t a n d a r df r o mi o m h z t o1 0 0 0 m h z 本文旨在通过完善宽带同轴功率量值传递标准装置和改进功率计校准系数测 量结果的不确定度评定，提高我国功率参数量传的水平；通过改进商用功率计校 准系统，提高商用功率计在0 o l 1 8 g h z 、7 0 2 0 d b m 工作范围的功率测量精度。 本课题得到了国家科技部的科技基础条件平台项目：信息与电子计量基标准 完善和共享子项目中的完善和扩展同轴功率基准及传递标准课题的支持。受实验 室现有仪器设备限制，本文的研究范围仅限于同轴n 型( o 0 1 1 8 g h z ) 频率范围， 但是只要设备条件允许，该传递系统即可扩展到( o 0 1 4 0 g h z ) 频率范围。 1 2宽带同轴功率传递体系的发展现状 功率基准向量值传递系统的传递以及量值传递系统内部的传递都是将功率基 些宝窑通厶堂亟堂僮i 金塞 i l 主 准的量值向下传递。对于壁值传递的不同环节，高频和微波功率量值的概念具有 不同的定义。诸如信号源资用功率( 可利用功率) 、信号源入射到任意负载上的功 率、信号源传输给任意负载上的净功率等川。终端式功率计作为功率测量仪器的主 要使命是测量微波信号源或传输系统输出端口上对匹配负载所能提供的功率。 图1 2 是信号源和负载之间的功率传输关系，只称为信号源功率。在传输线的 特性阻抗为z 0 的测量系统中，将一个无反射负载与信号源直接连接时，图中6 g 是 信号源入射到无反射负载上的电压波幅，k 和r ，分别为信号源的输出反射系数和 负载的输入反射系数。应用波叠加原理，信号源入射到负载上的波幅口和传输到 零反射负载( f ，= o ) 上的净功率只可表示为： 昂= k 1 2 乞 q = + 6 l r 6 式中，6 l 是负载反射的波幅。 测量平面 r 。 r f g 6 b l 2 k b g f l 2 f g 2 1 1 。3 r 。2 _ 图1 - 2 信号源与负载之间的功率传输 f i g u r e1 - 2p o w e rt r a n s f e rb c t v e e nt h es o u r c ea n dt h el o a d ( 1 1 ) ( 1 2 ) 信号源入射到任意负载上的功率只，又称为入射功率，表达式为： 。两r ：可o ( 1 - 3 ) 负载反射的功率只，又称为反射功率，表达式为： e = 只n 1 2 。 ( 1 4 ) 信号源传输到任意负载上的净功率最，又称为负载的吸收功率为负载的入 射功率减反射功率，表达式为： 纠母昂器 m s ， 2 i e 塞交道厶堂亟堂僮途室 i l 畜 由( 1 - 5 ) 式可知，负载所吸收的功率不仅与信号源的输出功率大小有关，而 且与信号源和负载的复数反射系数密切相关。因此，对微波功率量传系统的研究， 应着力于准确测量复数反射系数，或者使信号源和负载的阻抗与测量系统传输线 的特性阻抗z n 相匹配，但是理想匹配状态在实际中是不可能实现的。通常情况下， 只能测量复数反射系数的模值，很难确定其相位。所以，在确定( 1 - 5 ) 式中的修 正因子 l f 。f ：1 2 时，一般只能按l 和r 。的最坏相位组合考虑，从而在测量高频 和微波功率时将引入较大的失配不确定度。 替代功率只是指用替代法测量高频和微波功率时，用于替代测热元件( 例如 热敏电阻) 上的高频和微波功率的直流或低频功率。 在微波功率参数检定和校准过程中，校准系数既定义为测热元件上的直流替 代功率只与入射到功率传感器上的微波功率只之比l z j ： 吒= 只日 ( 1 - 6 ) 校准系数k 不仅反映了功率传感器的损耗和替代的不等效性，还体现了功率传感 器反射系数r ，的影响。 实际使用的功率量值传递方法归纳起来有以下几种： 1 ) 交替比较法：将标准功率计和被校功率计连接到稳定的微波信号源上进行比 较。这种方法简单易行，但是仅适用于相对粗略的测量，因为通常相比较的两只 功率计的反射系数有很大差异【3 1 ，将引入较大的测量不确定度，在测量不确定度要 求不高的情况下广泛采用，大功率和脉冲功率量值传递也可以采用。虽然在量值 传递系统中很少使用，但交替比较法是其他方法的基础。 2 ) 定向耦合器法：定向耦合器法是由w e i n s c h e l 在交替比较法的基础上提出的 4 1 。 是在定向耦合器( 或两电阻功率分配器) 的一个输出端接一个参考功率计，利用 参考功率计的读数对微波信号源进行外稳幅，从而在另一个输出端口获得具有低 输出反射系数的等效信号源，定向耦合器一参考功率计组合也被称为功率传递标 准。该方法引入了功率传递标准校准系数的概念，无需标准功率计也可进行量值 传递，所以广泛应用于微波中、小功率量值传递，我国功率量值传递体系中使用 了很多w e i n s e h e l 生产的功率传递标准。 3 ) 直接比较法：美国n i s t 在交替比较法的基础上，提出了直接比较法【5 】。是在 已知特性的三端口器件( 如功率分配器、定向耦合器) 的一个输出端连接一个参 考功率计，另一个输出端依次连接标准功率计和被校功率计，当三端口器件输入 高频和微波功率时两个功率计同时读数。直接比较法与定向耦合器法的原理基本 相同，区别是用同时读数代替信号源稳幅1 6 1 。这种方法适于短期少量的量值传递或 比对。 。 4 ) 反射计法：反射计能够同时测量功率和反射系数。采用调配反射计六端1 3 b 塞銮道厶堂砸堂位i 金塞i i 宣 反射计1 8 1 或改装的网络分析仪唧，能够在功率校准的同时修正失配误差，将失配引 起的不确定度降低了1 - 2 个数量级，但结构复杂，测量和校准时间长【io 】。目前由 于网络分析仪的广泛应用，可以很容易的获得功率计和等效信号源的反射系数， 使得定向耦合器法和直接比较法的测量准确度提高，所以反射计法已经很少用于 量值传递。 目前，我国高频和微波功率量值传递体系存在以下问题： 1 ) 高频和微波功率量值传递系统已经有较为成熟的模型表述，但是我国各级校 准实验室大都引进商用传递标准( 例如w e i n s c h e ls y s t e mi i 或r sn r v c ) 完成 量传，鲜有实验室使用已有设备按照模型搭建系统并完整准确的评定系统不确定 度，其原因在于作为主要失配来源的等效源反射系数测量方法复杂，且依照传统 思路无法准确评定测量结果的不确定度，例如相位不确定引入的被测座校准系数 标准测量不确定度分量只能简单近似为2l r 。i j r 。i ； 2 ) 各校准实验室对校准结果不确定度评定只是按照传统的不确定度传播率评 定，然而对于微波功率量值传递这种概率分布种类较多，函数关系较复杂( 非线 性关系较多) 的情况，传统评定方法将会放大合成扩展不确定度； 3 ) 经典的传递标准模型主要针对限定条件( 入射功率为l m w 0 d b m 附近) 下的 校准系数测量。对于现在使用广泛的二极管式功率传感器，功率测量范围为 一7 0 - - - 2 0 d b m ，厂家给出该功率范围修正系数并存入功率传感器的e e p r o m 中对测 量结果修正以提高准确度，但是修正后测量结果的非线性度仍达到3 0 0 - - 5 。 1 3本文主要研究内容 针对上述功率量值传递和测量中的实际问题，本文以直接比较传递标准为研 究对象，对同轴n 型( o 0 1 1 8 g h z ) 微波功率量值传递系统做了详细的研究和实 验分析，主要就以下两方面展开； 1 ) 直接比较传递标准校准( 定标) 和不确定度评定。研究等效源反射系数的测 量方法，使用蒙特卡罗方法进行反射系数和校准系数的不确定度评定； 2 ) 分析目前商用二极管式功率计校准系统的不足及其对功率测量的影响，对现 有功率计校准系统进行改进，分析实验数据以验证改进效果，获得二极管式功率 传感器在一7 0 2 0 d b m 的修j 下系数，为实验室工作条件下的全功率范围准确测量提 供依据。 本文研究的功率座、传递标准和功率指示器分别为通过式功率座、通过式传 递标准和终端式功率指示器，j 下文中将不再特别指出。 4 b 塞塞墟厶堂亟翌僮监毫毯遮功圣墅笾丞筮基奎壁垃班盔 2 微波功率量传系统基本理论研究 2 1经典的功率量传方法 目前，常用的微波功率量值传递方法有交替比较法、定向耦合器法、直接比 较法、反射计法等。交替比较法是其它几种方法的基础，而当前发展较为成熟且 使用广泛的则是直接比较法，这也是本文以直接比较传递标准作为研究对象的原 因之一。 2 1 1交替比较法 交替比较法校准装置的构成比较简单，它是由稳幅信号源、终端式标准功率 计和标准功率指示器组成。交替比较法是利用高一级的标准功率座( 已知效率或 校准系数) 校准被校功率座。校准流程是：将标准功率计和被校功率计交替地接 到稳定的信号源上，信号源的输出保持不变，那么被校功率计所吸收的功率和 标准功率计所吸收的功率只存在一个特定关系，从而得到被校功率计的校准系数。 图2 i 是交替比较法的原理框图。 图2 - 1 交替比较法原理框图 f i g u r e2 - 1p r i n c i p l edo f t h ea l t e m a n tc o m p a r i s o nm e t h o d 当标准功率座连接到稳幅信号源的输出端，入射到标准功率座端面的入射功 率兄表示为： 乓。两r 丽o 2 - 1 式中，只是信号源传输到无反射负载上的功率，r ，是标准功率座的反射系数，k 是信号源的反射系数。 同理，将被校功率座连接在稳幅信号源的输出端，并假设信号源的输出功率 幅度保持不变( 即晶不变) 。入射到被校功率座的入射功率为兄： | e 塞堑煎厶堂亟翌僮盈塞 毯遮功圣丝佳丕统基奎堡途班宜 耻声符 g 也 式中，r 。是被校功率传感器的反射系数； 标准功率座和被校功率座的校准系数分别表示为： 置= 丝 。 ( 2 3 ) 。 咒 丘= 予 ( 2 - 4 ) 将标准功率座校准系数和被校功率座的校准系数相比，并将入射功率表示式 ( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 带入有： 各：磐：拿j 。l - r a f 万 2 ( 2 5 ) 墨 圪兄 圪f 1 一r 。r ，1 2 。 由此可得被校功率座校准系数的表示式： 疋= 咯搿1 2 协a ， 式中，吒，e 分别是被校功率座和标准功率座的校准系数，吃，吃是被校功率 座和标准功率座的替代功率。 分析式( 2 - 6 ) 可以看出，式中的标准功率座校准系数足。由功率量值传递得到， 标准功率座的替代功率兄和被校功率座替代功率吃可以由功率指示器读到。最后 一项1 1 一r 。r 。f 2 巾一r 。r ，1 2 ( 一般称之为失配因子) 中，反射系数l 和r ，可以通过 矢量测试设备得到，但是信号源反射系数的相位无法准确测得，因此该项无法 计算，通常把它认为是一个接近于1 的数，并把该项作为不确定度分量的一项。 因此，可将被校功率座的校准系数表示式简化为： 耻k | 鼍 ( 2 7 ) 实际的校准过程一般使用这一简化公式。从上述分析可知，由于反射系数相 位不确定而使用相位最差组合时引入的误差限为2 f r 。i ( i r ，i + l r 。i ”j ，标准扩展不确 定度分量为1 4 1 4 1 f 6 i ( i r ，i + l r 。i ) 。对于普通信号源，其反射系数模值i r g i 在同轴带 宽内为o 0 2 0 2 0 ，标准功率座的反射系数模值i r ，i 为o 0 5 o 1 0 左右，被校功率座 的反射系数模值n i 通常为o 0 5 - - 0 2 0 ，由此看来该项不确定度分量在功率校准不 确定度合成中占有相当的比例，而且也是最重要的一项不确定度分量。为了提高 功率校准的准确度，就必须降低失配误差。 降低失配误差最有效的方法是降低信号源的反射系数。其方法有如下两种： i )在信号源端接一个性能良好的隔离器或衰减器。这时信号源端的反射系数基 6 j e 塞銮适厶堂亟堂位论塞磁遮功墅量佳丞筮基查堡迨班宜 本上取决于所加接的隔离器或衰减器输出端的反射系数。一般来说，性能良好的 隔离器或衰减器能提供0 0 5 左右的反射系数。 2 ) 等效信号源法。采用等效信号源后，源端的反射系数与实际信号源的反射系 数无关，而取决于所加三端口器件的参数，当三端口器件性能良好时，在同轴n 型频率范围内，等效信号源提供的等效源反射系数小于0 0 5 。2 1 2 节将详细分析 低反射系数的等效信号源。 2 1 2低反射系数的等效信号源 在高频和微波功率测量中，为了将系统失配引入的测量不确定度减至最小， 研究人员致力于获取一个无反射信号源。最经典的方法就是使用信号源稳幅环路 实现低反射系数的等效信号源“”。 图2 2 是信号源外稳幅系统原理图。针对微波功率测量，系统中的取样器采用 定向耦合器，检波器采用热敏电阻座一功率计组合，主要原因有两点： 1 ) 为了保证宽频带范围的幅度一致性，必须要求稳幅环路中信号取样器的耦合 度和检波器的灵敏度在工作频带内的频率响应平坦； 2 ) 使用定向耦合器能显著改善稳幅源输出端内的有效源反射系数。因为它只对 负载的入射波取样，负载的反射波对稳幅几乎不产生影响，但当负载反射波被原 来是失配的信号源再反射回来时，便会被耦合出来产生稳幅作用，使输出幅度不 会因为源反射而变化。 图2 - 2 信号源稳幅系统原理圈 f i g u r e 2 - 2 p r i n c i p l e o f t h e l e v e l i n g s y s t e m t o a8 0 u t g o 幽2 - 3 等效信号源原理幽 f i g u f e2 - 3p r i n c i p l eo f t h ee q u i v a l e n t 目d u i r c a g 7 业塞銮适厶堂亟鲎僮j 金塞 邀遮丛圣堂佳丞统基奎堡i 金蜮荭 详细分析图2 - 2 。暂假设定向耦合器并无明显的方向性。则它从端口取出的 信号反既与端口所接负载的入射波6 ，有耦合，( 设耦合系数为c ) ，也与反射波哆 有耦合，( 设耦合系数为d ) 。于是，可以写出 ， 政= c 协+ d a ， ( 2 8 ) 假设将岛检波后反馈到信号源起到了理想稳幅作用，则岛幅度被保持为常数， 令色= k ，( 2 - 8 ) 式可变形为 也：等+ f - 罢1 a ： ( 2 - 9 ) 此时由端口向内看入的就是如图2 3 所示的等效信号源，其输出波记为， 反射系数记为r 。，可写出： 岛= 吃+ r 西如 ( 2 l o ) 将( 2 9 ) 式和( 2 1 0 ) 式相比较，可得勉= x c ，即输出端口处等效源输出 波幅度为常数。若正向耦合度c 不随频率改变，则6 矗也不随频率变化。同样，还 可得f 。= 一n c ，故等效源反射系数大小视定向耦合器方向性好坏而定，与原信 号源的k 不再有关。若d 较c 越小，即耦合器的方向性越好，则1 1 。值越小，即 稳幅后端口内的匹配越好。设负载反射系数为f 。，则口：= r 。6 2 ，代入式( 2 1 0 ) 可得： 如：粤 ( 2 州) 。 l r r 、。 由( 2 ，1 1 ) 式可看出，当r 。很小时，不仅屯稳定不变，6 2 也不随负载r 。而 变化，这对微波测量系统是十分有利的。 对于本文所研究的直接比较传递标准，并未直接使用信号源稳幅环路，即没 有要求以6 2 为输出量并以岛进行自动稳幅，而是将如对6 3 的比值( 即归一化功率 抚舨) 作为输出量，实际测量中就是不对信号源进行外稳幅而是连续监视并记录 端口输出变化来修正最终测量结果。可以证明，输出量b ：b , 对原信号源参数的 依赖关系完全与自动稳幅系统中的6 等效。如式( 2 - 1 2 ) ： 每=+d口2b2=丽1cdc)a=嚣i-f f ( 2 1 2 ) 6 3c + d 口：l 一( 一：吃。 、7 可见归一化输出量的大小几乎等于由耦合器参数决定的常数，且等效源反射 系数亦为r 乞= 一n c ，两者均与原信号源参数蛞和f 。无关a 这种连续监视法的局 限性在于，归一化功率是在功率计线性的假设下引入的，当功率变化量在很小的 范围( 端1 3 和端口功率计的理想线性范围) 内修j 下时，监视法才是有效的。 监视功率计在功率突变时，不能像被测功率计一样做出相同的响应，因此取比值 监视法不能消除信号电平或噪声的快速变化所带来的影响。这也同样说明了直接 扯塞銮醺左堂亟堂位i 金塞邀越功鍪量笾丞筮基奎堡迨班荭 比较传递标准法的局限性，校准只能在被测功率计的线性工作范围内进行。 求解图2 - 2 中由定向耦合器构成的三端口网络的散射方程组，可得到式( 2 8 ) 中系数c 和d 与该网络s 参数之间的关系为： c - - 曼，d - 最，一监( 2 1 3 ) 岛i 一 是1 r 。：一尝：s 2 2 一下$ 2 1 s 3 2 ( 2 1 4 ) l ) 3 j 由( 2 1 4 ) 式可更明显的看出，采用输出端口匹配良好和方向性很高的定向耦 合器作为等效信号源的取样器，可使自动稳幅和取比值监视系统的等效源反射系 数的模值减至很小，即大大改善了信号源的匹配。这样在功率校准过程中消除了 实际信号源反射系数的影响，减少了2 1 1 节中所讲的失配误差从而提高了校准 准确度。最后，式( 2 1 4 ) 不仅适用于定向耦合器，也适用于任何以相同方式接入稳 幅系统的线性三端口网络，因此，使用对称性良好的2 电阻功分器同样可以构成 r 。很小的等效源信号源。 2 1 3直接比较传递标准 依据2 1 2 节中分析的使用取比值监视系统实现低反射系数等效信号源，美国 n i s t 在交替比较法的基础上，提出了直接比较传递标准。1 。如图2 - 4 所示，在已 知特性的三端口器件( 定向耦合器、功分器) 的输出端口连接一个参考功率计， 另个输出端口依次连接标准功率计和被测功率计，并在三端口器件输入高频 或微波功率时同时读数。 篓l 嚣l 准 t i 参考功率座f 一丰 i 信号源卜_ 乒叫定向耦合器1 图2 4 直接比较传递标准校准系统原理框图 f i g u r e2 - 4p r i n c i p l eo f t h ed i r e c tc o m p a r i s o np o w e rc a l i b r a t i o ns y s t e m 本文研究的传递标准所使用的线性三端口器件是定向耦合器，2 1 - 2 节已经分 析得出，方向性良好的定向耦合器加监视用参考功率计使得图2 - 4 中端口向传递 9 j e 巫窑迪厶堂硒堂僮论毫 筮遮功奎童佳丞红基奎堡途硒塞 标准端看入的反射系数为等效源反射系数，在同轴0 0 1 1 8 g h z 的频率范围内，一 般来讲等效源反射系数将小于0 0 5 。 通常用传递标准校准系数k 描述其功率量值传递特性。群定义为定向耦合器 耦合端参考功率计读数与入射到接入定向耦合器直通端的无反射匹配负载上的 微波功率b 之比【l 】，其表达式为： k = 鲁 ( 2 - 1 5 1 传递标准在经过上一级标准功率传感器校准之后的一个校准周期内，都可以 使用传递标准校准系数迸行功率量传。该校准系数由高一级标准功率计传递而来， 其计算式为： p1 。 丘2 置专商( 2 - 1 6 ) 其中k 是标准功率座的校准系数，是标准功率计的读数，是参考功率计的读 数，r 。是等效源反射系数，r j 是标准功率座反射系数。 当被校功率座接在定向耦合器直通端时，入射到被校功率计的微波功率为圪， 名。丽r o ( 2 - 1 7 ) 将被校功率座校准系数瓦和标准功率座的校准系数疋相比可得： 惫2鱼丝2每专。毒南2每。1-fcmf,e,eo e 。l l - r f 2 c ：郴， 兄只 。r 。r 只 、 k 。= k c 等1 1 一r 6 罗弋 。 q 1 9 ) 其中气是被校功率计的读数。 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 9 ) 得到标准功率座的校准系数足。和被校功率座校 准系数k 的关系式： 兄吩鲁。老，搿 其中只，和只：是参考功率计在两个量传环节的读数。分析式( 2 2 0 ) 能够看出， 当日和只：相等时，式( 2 2 0 ) 和式( 2 6 ) 一致。可见，与交替比较法类似的，被 校功率座校准系数表达式中含有一个反射系数相乘的项j l r 0 l 卜与2 1 1 节中 对反射系数相位不确定的分析类似，它将在不确定度评定时予以考虑。实际校准 中将( 2 1 9 ) 式简化为： x 。嗵睾 0 ( 2 2 1 ) e 塞銮适厶堂鲤堂僮i 金塞 毯渡驰奎营篮丕蕴基奎垄途蛆究 通过以上分析可知，直接比较传递标准与交替比较法从本质上讲是一样的， 只是比较的参考值不是信号源功率而是参考功率指示器的读数。在一个校准周期 内，只要参考座的特性稳定，不必重复使用标准座，这样可以避免标准座的接头 损耗，不会造成标准座的标准值发生变化。 2 。2等效源反射系数的测量方法 为保证高频和微波功率量值传递的准确统一，必须减小由失配引入的测量不 确定度。随着矢量网络分析仪测量技术的进步，已经可以通过测量定向耦合器的 等效源反射系数r 。和功率座反射系数r ，、r 。对校准系数反射失配进行修正。其 中，l 、l 可以直接通过矢量网络分析仪扫频测得，r 。的测量方法较为复杂， 经典的有可变负载法1 1 2 】、直接测量s 参数法【1 2 】和直接校准法【1 3 】。 2 2 1等效源反射系数测量的基本方法 可变负载法是将图2 4 中定向耦合器输入端接可变负载，耦合端接参考功率计 监视其输出功率，类似于传递标准结构，调节可变负载直至耦合端输出功率为0 时，用网络分析仪测量直通输出端反射系数即为定向耦合器的等效源反射系数， 如图2 5 所示。这一方法的依据是等效源反射系数定义，即( 2 8 ) 式，当6 3 保持 为0 时，端口2 反射系数为： = 号= k ( 2 - 2 2 ) 图2 - 5 可变负载法测量等效源反射系数原理图 f i g u r e2 - 5a m e t h o do f m e a s u r i n ge q u i v a l e n ts o u r c er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tu s i n gav a r i a b l el o a d 对于测量直接比较传递标准的等效源反射系数，这种方法的优点在于测量时 无需断开定向耦合器一参考功率计组合，减小了连接重复性引入的测量不确定度。 但是实际使用时仍存在局限性，例如测量频点受到可调负载工作频点的限制，手 动调节可变负载导致每一频点测量需耗时l 2 小时，同时测量结果的重复性变差。 另一种方法是使用网络分析仪直接测量定向耦合器在全频带( o o l 1 8 g h z ) 塞至迪厶堂题堂僮监毫 邀缱功奎堑佳丕统基奎堡逾班宜 的s 参数，带入( 2 1 4 ) 式算出等效源反射系数。这一方法受校准实验室硬件条件 限制，难以达到较高的准确度，主要原因如下： 首先，测量之前必须对双端口矢量网络分析仪进行反射传输校准，校准件的 连接方式与测量时定向耦合器被测端口的连接方式存在差异，导致即使已经通过 系统误差模型对其内部网络校准，外部转接头差异以及测量传输系数时必须更换 电缆仍将引入测量不确定度。 其次，根据定义，使用双端口矢量网络分析仪测量定向耦合器s 参数时，空 置端口必须接完全匹配负载保证无反射，但实际使用的匹配负载总是存在微小的 反射量，导致s 参数的测量值与真实值之间存在偏差。 2 2 2直接校准法测量等效源反射系数 下面详细分析本文使用的测量方法一直接校准法，基于矢量网络分析仪的单 端口0 s l 校准方法测量等效源反射系数。图2 - 6 是由双定向耦合器构成的单端口矢 量网络分析仪简图。双端口矢网的反射测试单元也可以用该图表示。由线性网络 原理可知，图中b o 和分别与6 l 和q 成线性关系。因此图中端口2 反射系数 r = 6 l 几可以通过测量取样信号b o 和口。的比值获得。 6 i + 斗+ q 图2 - 6 单端口矢量网络分析仪简图 f i g u r e2 - 6as i m p l i f i e db l o c kd i a g r a mo f o n e p o r tv n a 考虑实际取样电路和接收机的非理想性对于测量反射系数造成的误差，如图 2 7 所示，把接于端口2 的被测件看成是经过一个等效的误差网络，再接到理想反 射计的端口5 上进行测量f l i 】。图2 培是带有误差网络等效参数及被测反射系数的信 号流图，其中，表示反射信号取样分离器件( 反射耦合器) 的方向性不足造成 的误差，q 。是从图2 7 中端1 ：32 看入反射计内部的等效源反射系数( 由它造成了失 配误差) ，和e j 。是两个定向耦合器的频率跟踪误差，是随频率变化的参量。 2 k 丞銮迪厶堂亟堂僮诠塞丝鳆功奎墼佳丕筮基奎堡垒鲤究 5 图2 - 7 单端口矢量网络分析仪误差模型 f i g u r e2 - 7e r r o rm o d e lo f o n e - p o r tv n a 图2 - 8 误差网络信号流图 f i g u r e2 - 8s i g n a lf l o wg r a p ho f e r r o rm o d e l 解出图2 - 8 所示的信号流图，可得表达式( 2 - 2 3 ) r = 垒= 盟兰 ，其中f 。= 生，a 。= 弓。一e l o e o 。 ( 2 2 3 ) l1 f 巳1 一凸ca 0 使用三个已知反射系数( r ) 的标准件接入单端口矢量网络分析仪测试端口测 量r i ，代入式( 2 2 3 ) 得到方程组联立求解即可获得误差参数，q ，和。其 中，毛就是图2 - 6 中入射耦合器的等效源反射系数。 依据上述单端口矢量网络分析仪校准原理，现在将双端口矢量网络分析仪的 通道l 和通道2 分别接于被测定向耦合器的输入端和耦合端，如图2 - 9 所示，根据 网络分析仪工作原理，6 ；是矢网通道2 反射信号的线性函数，6 是通道i 反射信 号的线性函数。根据线性网络原理，被测定向耦合器作为线性三端口器件，与两 端口矢网共同组成了单端口矢量网络分析仪。定向耦合器直通端入射信号矾与网 络分析仪通道2 反射信号西成线性关系，反射信号也与通道1 反射信号巧，式( 2 2 3 ) 可以写为： r ：蔓；粤些，：铲粥。 ( 2 ，2 4 ) 4 2 地6 ，) q l 一 ，同样的，在被测定向耦合器的输出端接校准标准件( 开路器、短路器、匹配 负载) 测量反射系数，即可解出e e o ，q ，和，其中岛就是被测定向耦合器的等效 源反射系数。 b 塞銮道厶堂亟堂僮论室 筮遮丛奎堑篮丞蕴基奎堡监缝荭 r f 如 6 ；接收机2 图2 - 9 等效源反射系数的直接校准法原理图 f i g u r e2 - 9p r i n c i p l eo f t h ed i r e c tc a l i b r a t i o nm e t h o df o rm e a s u r i n ge q u i v a l e n t $ o t l t l c , em i s m a t c h 这种直接校准法相比于2 2 1 节中所讲的基本方法，具有以下三点优势： 1 ) 测量时取6 f b ；= s 。咒。，其中墨。是矢量网络分析仪测得的通道1 反射系 数，最。是通道1 传输系数，由于两端口矢网内部结构的对称性，且墨，。和是。均 以接收机1 参考信号吖为入射参考值，取比值方法可以降低由网络分析仪内部构 件非理想性引入的测量误差，使不确定度来源主要集中于校准件的非理想性，简 化了测量不确定度的评定。 2 ) 这种方法不需要手动调谐，分别连接短路器、开路器、匹配负载自动扫频测 量o 0 1 1 8 g h z 频带范围的s t 。和最，。即可，缩短了测量时间。 2 3功率量值传递的不确定度分析 功率量值从基准向下传递的同时也伴随着原有不确定度的传递和新的不确定 度引入。本节针对直接比较传递标准的不确定度来源进行详细分析。 2 3 1直接比较传递标准的不确定度来源 从微波功率基准到一般功率计要经过多级量传，每级量传包含两个环节：从 上一级标准到量值传递装置( 校准传递标准校准系数赶) ；从量值传递装置到下一 级功率计( 校准被测功率计校准系数k ) 。对于本文研究的直接比较传递标准，是 量传的第一个环节，疋的表达式可用式( 2 1 6 ) 表示其测量不确定度主要来源包 括： 1 ) 标准功率传感器校准系数疋不确定度引入的相对不确定度分量“1 ： 一般说柬，标准功率座的校准系数不确定度来源于功率基准或上一级标准以 4 匙塞銮煎厶堂亟生堂僮论塞丝选功奎量佳丕蕴基奎堡迨珏殛 及反射系数的