射频大功率测量误差分析

1、第22卷第3期2006年6月微波学报JOURNAL OF MICROWAVESJun.2006文章编号:1005-6122(200603枷55旬3射频大功率测量误差分析+余振坤曲文英(南京电子技术研究所,南京210013摘要:通过对射频测量误差,尤其是在大功率条件下的测量误差进行了深入研究。从理论上详细分析了由于功率源和负载间失配而引起误差的机理,并通过实例对大功率条件下使用衰减器和定向耦合器两种测量方法引起的误差进行分析对比,结果表明:选择端口驻波小的器件和简化测试系统可以有效地降低测量误差,同时要求在工程设计时要尽可能减小输出驻波。关键词:失配误差,射频功率,驻波系数Error Analy

2、sis on High Power RF MeasurementYU Zhenkun,QU Wen-yiIIg(彬昭胍erc船m姚矿Efe以ron洳死如加如,n研增210013,吼i船Abstract:By indepth research on RF measurement ermr,especiaUy in high power measurement,t11e mech肌ism of the enDr caused by mismatch between p吣rer source and load is analyzed in detail theoretically.The ermrs

3、 in high power measurement caused by using attenuator or directional coupler are analysed and compared.The result shows that the meas-urement error can be reduced e妇fectively by selecting lower VSWR devices and simplifying test system,and the output VSWR 8hould be reduced as10w as possible in en舀nee

4、ring de8ign.Theory analysis and data comparisons show that this conclusion is very practicable.Key words:Mismatch error,RF power,VSWR引言射频输出功率是衡量雷达性能最重要的指标,因此测量发射机射频功率非常重要。影响测量准确性的因素比较多,其中之一是被测源和测试仪表之间阻抗失配带来的测量误差,尤其是大功率条件下的测试工具带来了更多的影响因素。本文通过对测试误差机理的分析,指出了大功率条件下影响功率测量的几个重要因素以及减小测试误差的方法和工程设计时应注意的问题。1基

5、本原理为了研究射频大功率测试中误差产生的原因,应首先分析直接测试时误差的产生机理。在直接进行测量时,影响功率测量精度的因素有很多,主要包括仪表频响特性、射频传输损耗、仪表输出读数和失配误差等几个方面。随着仪表性能不断发展提高,仪表内部的修正和校准功能可以使仪表固有误差降收稿日期:2005旬9旬8;定稿日期:2006旬1旬6到很小,因此被测系统中失配误差带来的影响越来越明显。图l为失配条件下功率源和功率计探头之问人射波和反射波的示意图(假设向功率源和探头方向看各自的反射系数分别为r补r。功率零篡'一i=嗍功率计探头山。几2×靠+一;=茗。:置:乏:图1失配条件下入射波和反射波大

6、小示意图文献1详细论述了传输线上有一个端面失配时功率传输的方程式,我们利用其结果推导出两个端面失配时的功率传输方程。,式(1和(2分别列出了多次入射波和入射波相加后的关系式。功率源相对失配的负载(功率计探头入射功率为:Aw=A。+A。rtrn+A。(rcrR2+2r-=j笋五(156微波学报2006年6月A。r=A。r。+A。r;11。+A。r。(r。r。2+=r(2PIN州IN2=嵩(3其中IA。I 2是功率源所能传输给无反射负载的功率P0,因此有P1w2厅奇(4失配的反射功率为:P,=IA。,r=等=P州Ir。r(5则失配负载吸收的功率为:P=PINP,=l AIN2一lA。f2一器(6=

7、R厅奇6R=|P。(1一Ir。l2(7换言之=爱=等和每=南由上式可知,R和P,相差一个因子(1一IRI 2,如果只用功率计进行测量,则该因子属于系统误差,只要精确测出I r。I即可进行修正。而R和P。另外还相差一个因子11一r。kI 2,要测定这个因子,不仅要测定11。和k的幅值,还要知道它们的相位关系,这很难确定,因此这个因子属于系统的不确定误差,不能进行修_正,只能估计它所造成误差的不确定范围。即:(1一IrI IrRl211一rr月I 2(1+lrI IrRI2极限值为(1±Ir。I lr。I2。表1不同驻波系数对测量精度的影响(注:表中s船=岩昔从这个结果可以看出,要提高测

8、量精度,只需减小l r。l和I r。I。表1是将不同的反射系数代人公式后得到的不同驻波系数对测量精度的影响。从表1可以明显看出,按工程误差10%的标准,测试一个驻波小于2的射频功率源只要有一个端口驻波在1.2以下的功率探头即可满足要求。对于这点,一些高端的功率计已经完全可以实现,因此用功率计直接测量射频源,可以满足误差要求。需要注意的是,在工程中测试级联放大器时,对放大器的激励进行校准后,负载由探头变为待测放大器的输入,这时产生的误差对测试影响很大。因为在放大器的级联测试时,对于输人功率来讲,r。是激励源的输出端反射系数,r:,为待测放大器的输入端反射系数,它的性能远远低于功率计探头的性能。例

9、如:当激励源输出驻波Js船=2(即Ir。l=0.333,待测放大器输入回波损耗为10dB(即I r。J=0.316或S船=1.92,则输入功率的不确定性为±0.97dB。这个误差将影响实际测量精度。为了减小误差,必须降低两个端面的反射系数,而Ir。l是待测指标,所以只能降低I r。l。因此,在功放组件的实际设计中,组件末端都应该安装一个端口驻波较好的隔离器(swR<1.2,它的作用就是降低lF。I和提供相对固定的相位。同样用上面例子,当源驻波为1.15时,激励功率测量精度范围为±0.20dB,满足工程测试的精度范围。2大功率条件下测量误差的分析对于小功率下的测量我们可

10、以用功率计直接进行测量,但由于大功率计本身的测量不确定度达到8%10%旧J,所以对大功率测量目前都改用精度较高的小功率计配以衰减器或定向耦合器进行测量。这样将不可避免地带来测试误差,通过分析这两种情况下误差产生的原因可以找到影响测量的关键因素,降低测量误差,提高测量的准确性并扩展到其它更复杂的系统中。2.1用衰减器进行直接测量(假设衰减器反射系数和衰减系数为r。和A:加入衰减器后,通过图2来分析失配误差产生的机理。可以看出,误差主要由下面几项产生:1源功率到达衰减器,由于源和衰减器输入端的阻抗失配产生反射;2部分入射的能量经过衰减器到达输出端,在输出端和功率计探头之间的失配引起反射;3入射能量

11、到达衰减器输出端面后产生失配再反射到输入端面,并在衰减器内部多次反射并产生迭第22卷第3期余振坤等:射频大功率测量误差分析57功图2用衰减器进行大功率测量时误差产生原理示意图加。这三种情况分别对应于图中数字所表示的曲线。下面简单分析这三种情况下对测量精度的影响。前两种情况只要把参考面定位在功率源输出端面和功率计输入端面,则此时的情况等同于前面直接钡4试的情况,可以直接借用上面的结论,在这两种情况下,测量的不确定性为:占l=(1±J厂。l|厂R I2(882=(1±I n|I厂。12(9现在考虑第三种情况的影响,可推导:暑1I r2P,:Pn二二生三(10“。I1一IAIR4

12、l即不确定性为:占3=(1±f rf A I rR IA f2(11将三种情况按误差出现的极限情况考虑并相加即可得出总的精度范围。假设功率源输出驻波s豫=2,功率计探头驻波.s职=1.2,加入的衰减器驻波为1.2,衰减量为6dB(即I r。I=0.09、14I=0.5,三项误差分别为: 81=±0.27dB,占2=±0.07dB,s3=±0.17dB 总的精度范围为.6-漶=±0.51dB.从公式和数据可以看出,第一项误差较大,主要由源驻波产生,第二项误差因子由于探头驻波较小对总误差影响较小,第三项误差因子中衰减系数乘了两次,是高次项,因此是关

13、键因素。所以,可以尽量减小功率源的驻波系数,当源驻波小到一定程度后,减小衰减系数。工程中可行的方法是:在功率源输出端接隔离器,将源驻波降到1.2以下,并改用衰减系数为20dB(IAl=0.1的衰减器进行测量。再次代人公式并计算得到精度降为±0.15dB。2.2用定向耦合器接负载进行间接测量(假设定向耦合器的端口反射系数、耦合系数和定向系数为: r折、C和D。加入定向耦合器后,通过图3来分析失配误差产生的机理。此时的误差除了在功率源和耦合器、探头和耦合器之问阻抗失配产生的反射外,还多了另外两项图3用定向耦合器进行大功率测量时误差产生原理示意图载因素:由于负载失配产生的反射到源后引起二次

14、反射再耦合到功率计;负载失配后由定向通道直接传到功率计。由上文计算,我们得到每项误差产生的不确定性为:1功率源和耦合器之间失配产生的误差为:sl=(1±I11曲i R I22耦合器和功率计探头之间失配误差为:占2=(1±I rl r战,I23第三项误差为:s3=(1±I rL rR|C I24第四项误差为:s4=(1±I r,I|D I2四项误差的总和进行极限相加就是该测试系统的总误差。由此得出结论:同衰减器直接测试一样,其源驻波系数对测量精度的影响也比较大。另外还需要指出的是,当耦合器的耦合系数和衰减器的衰减系数幅值相等并且端口驻波在相同的条件下,(1

15、±l r。II rR I C I2产生的误差明显大于(1±I n A r。l A I2产生的误差,同时还多了一项(1±Ir,I lDI2。因此可知,用耦合器进行间接测量的误差大于用衰减器进行直接测量的误差。工程应用时待测功率很大,则所需耦合器的耦合系数将很小。由于工艺水平和工作带宽的限制,减小耦合器的耦合系数必将增加其定向系数,只有当Ir。IIcI=IDI 时,两项误差的和才最小,所以要适当选择耦合系数配合衰减器进行测量。比较两种大功率的测试方法,可以看出,系统越复杂,引入的误差因素也越多,其测试的不确定性也越大。3结论本文对大功率条件下通过外加器件进行测量射频功

16、率的两种方法进行分析和对比,得到了各端面驻波系数和测试系统误差关系式。为了得到精确的(下转第61页第22卷第3期马海虹等:3mm锁相源研究及系统应用61(b,23002图3五。和的频谱图4系统应用情况由于采用了锁相技术,毫米波源的频率稳定度大大提高,同时简化了毫米波的频率测量。实验证明,该系统环境适应性强、性能稳定。可以测得火炮弹丸在弹道内10m/s1100ns的运动速度。5结论毫米波锁相频率源研究是一项关键且复杂的技术,在不同的应用场合,有不同的技术要求。在研制3mm双环锁相源过程中,我们发现微波锁相本振源的相位噪声对毫米波锁相源的相位噪声起决定性作用,因此,可以通过改善微波锁相本振源的相位

17、噪声来改善毫米波源的相噪指标。参考文献Kudszus S,Student Member,Berceli M,Haydl W H.Fully Integrated94一GHzSubha册onic Injectionlocked PLL Circuit.IEEE7Ihnsactions on Microwave andGuided Wave Letters,2000,10(2张永鸿,吴正德,唐小宏,樊勇.w波段小型化锁相Banerjee Dean,PLL Perfb册ance,Simul砒ion,and De2001鲍景富,陈玉生,朱君范,虞厥邦.三毫米低相噪锁相系统研究.电子学报,1996,24

18、(3:9193恽小化,恽才华,张国春,周白华.8mm小型化低相位噪声锁相源.红外与毫米波学报,1995,14(5:383386MA Haihong,T肌g Xiaohong,Xiao Fei,ZhaIlg Xianjing.Phase noise analysis and estimate of miimeterwavedouble PLL frequency synthesizer.Intemational Joumalof II血ared and Millimeter Waves,2005,26(2唐小宏男,1983年获得电子科技大学学士学位,1990年获得电子科技大学博士学位。现为电子科技大学教授、博士生导师,主要研究方向为微波毫米波电路与系统。些蛰燃蜚蛰隧当鬟监瓣些譬i些蠹鹾竣爨鼗鼗些i些戳娑警鲻墨缓鲨毫堂i型:蝥垫躐些璺麟骘蛰缫墨凄些瓣些塑鲻篓凄些整鍪瓣些孥蠹鹾(上接第57页测试数据,必须选择端口驻波小的器件,简化测试系统,设计功放