一種微波功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的手工校準(zhǔn)微波功率計(jì)的局限性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Visual Basic軟件平臺(tái)組建的微波功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、工作原理、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)以及不確定度的分析和評(píng)定。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作使用方便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：微波功率計(jì)；自動(dòng)校準(zhǔn)；Visual Basic軟件；模塊化；樹(shù)形結(jié)構(gòu)

0 引言
微波功率是工業(yè)科研、生產(chǎn)中有關(guān)測(cè)量的重要參數(shù)。微波功率計(jì)具有測(cè)量功率動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍寬等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)中。如在使用雷達(dá)進(jìn)行跟蹤測(cè)試時(shí)，首先要確定雷達(dá)的作用距離，這就必須測(cè)量雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，因而微波功率計(jì)的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。校準(zhǔn)微波功率計(jì)的傳統(tǒng)方法是采用標(biāo)準(zhǔn)微波功率計(jì)進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試校準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果，步驟復(fù)雜，精度低，耗時(shí)長(zhǎng)。針對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了0．05～26．5 GHz的微波功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組建、校準(zhǔn)原理和方法
微波功率校準(zhǔn)的主要任務(wù)是建立功率標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行功率量值的傳遞和保證其量值準(zhǔn)確一致。目前最常用的功率量值傳遞方法有交替比較法、傳遞標(biāo)準(zhǔn)法和六端口法。其中，傳遞標(biāo)準(zhǔn)法是目前廣泛使用的一種微波功率量值傳遞方法，采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)法可以確保功率量值傳遞的準(zhǔn)確度，因此本文利用傳遞標(biāo)準(zhǔn)法建立0．05～26．5 GHz頻段的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)組成及其測(cè)試框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用一個(gè)三端口器件、標(biāo)準(zhǔn)功率座及標(biāo)準(zhǔn)功率指示器構(gòu)成傳遞標(biāo)準(zhǔn)；由于功分器的工作頻率范圍(0．05～26．5 GHz)相對(duì)于定向耦合器寬且易于實(shí)現(xiàn)，以及便于實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化校準(zhǔn)測(cè)試，故采用對(duì)稱性良好的功分器作為三端口器件。傳遞標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有外接PIN電調(diào)衰減器，而是將由功率計(jì)探頭檢測(cè)出的電壓送到信號(hào)發(fā)生器，并與信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部的參考電壓比較，從而建立穩(wěn)幅環(huán)路，獲得了反射系數(shù)小的等效信號(hào)源。該傳遞標(biāo)準(zhǔn)由高一級(jí)的功率標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，確定出校準(zhǔn)因子Kc，然后用于校準(zhǔn)被檢功率敏感器。
該校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功分器、標(biāo)準(zhǔn)功率座(功率敏感器)和標(biāo)準(zhǔn)功率指示器以及計(jì)算機(jī)等組成。當(dāng)功分器的測(cè)試端口接入被校的功率敏感器時(shí)，入射到被校功率計(jì)的微波功率為：

式中：Pu為被校功率敏感器的替代功率，即功率指示器的讀數(shù)，單位為mW；Pe為標(biāo)準(zhǔn)功率座的替代功率，即標(biāo)準(zhǔn)功率指示器的讀數(shù)，單位為mW；Γge，Γu分別為等效信號(hào)源以及被校功率敏感器的反射系數(shù)。
實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，由于反射系數(shù)項(xiàng)|1-ΓgeΓu|2中的反射系數(shù)相位無(wú)法確定，根據(jù)該項(xiàng)所引入的誤差限相位組合最壞情況分析，可將該項(xiàng)近似分析為1；該項(xiàng)將在不確定度分析時(shí)給予考慮。于是，可以簡(jiǎn)化為：


2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文的微波功率自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)采用Visual Basic6．0軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)IEEE 488接口對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。在軟件的設(shè)計(jì)中，采用了自頂向下的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，并且引入模塊化的設(shè)計(jì)思想。
根據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)法微波功率傳遞系統(tǒng)的手動(dòng)校準(zhǔn)步驟和經(jīng)驗(yàn)，在開(kāi)發(fā)平臺(tái)Visual Basic 6．0上按流程圖2編制完成了功率傳遞系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試程序，通過(guò)預(yù)先設(shè)置好初始參數(shù)(如：起始測(cè)試頻率、結(jié)束測(cè)試頻率、被檢功率座型號(hào)和序號(hào)等)，系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下，運(yùn)行功率計(jì)、校準(zhǔn)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、存盤(pán)打印等子程序，實(shí)現(xiàn)全頻段的自動(dòng)測(cè)試。程序運(yùn)行過(guò)程如程序流程圖2所示。

該程序經(jīng)調(diào)試和運(yùn)行，已實(shí)現(xiàn)了微波功率計(jì)校準(zhǔn)的自動(dòng)化。其主界面的結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂瞥绦虻母鱾€(gè)功能模塊具有很強(qiáng)的內(nèi)聚性，模塊之間的相互通信由主程序來(lái)統(tǒng)一調(diào)度，人機(jī)界面十分友好，在測(cè)試的過(guò)程中還有相應(yīng)的提示。
經(jīng)過(guò)與原來(lái)的手動(dòng)校準(zhǔn)相比較，該自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、校準(zhǔn)效率高、操作簡(jiǎn)易的三大優(yōu)勢(shì)。

3 系統(tǒng)的測(cè)量不確定度分析
采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)法，計(jì)算被校功率敏感器校準(zhǔn)因子的測(cè)量不確定度主要來(lái)源有：
(1)標(biāo)準(zhǔn)功率座校準(zhǔn)因子Kc不確定度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1。
該功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)高一級(jí)功率標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)后，給出的允許誤差項(xiàng)誤差極限為：±3％～±4％，設(shè)為均勻分布，則相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(2)標(biāo)準(zhǔn)功率座的替代功率測(cè)量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。
該替代功率由標(biāo)準(zhǔn)功率指示器測(cè)量的，其功率指示器的允許誤差項(xiàng)誤差極限為：±0．1％，設(shè)為均勻分布，則相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(3)被校功率計(jì)替代功率測(cè)量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。
該替代功率由被校功率計(jì)功率指示器測(cè)量的，其功率指示器的允許誤差項(xiàng)誤差極限為：±0．5％，設(shè)為均勻分布，則相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(4)失配引入的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。
由失配引入的測(cè)量相對(duì)擴(kuò)展不確定度U(M)=2|ΓgeΓu|，按B類(lèi)不確定度評(píng)定，M的可能值服從反正弦分布，包含因子。測(cè)量得出的等效信號(hào)源反射系數(shù)為0．05，被校功率計(jì)的反射系數(shù)為0．05～0．16，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4為：

(5)各種隨機(jī)影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5。
由環(huán)境條件不理想、接頭連接不重復(fù)性等各種隨機(jī)因素，引入了測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，其通常采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表征，用A類(lèi)不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，因此該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

由以上合成為：

因此，該校準(zhǔn)系統(tǒng)傳遞標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)因子的擴(kuò)展不確定度為：
U=kuc=2uc=3．8％～5．2％
滿足了計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)
微波功率自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的手工校準(zhǔn)功率計(jì)的手段，顯著地提高了校準(zhǔn)工作的效率，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作方便，保證了測(cè)量不確定度，滿足了計(jì)量傳遞的要求，實(shí)現(xiàn)了微波功率計(jì)校準(zhǔn)過(guò)程的自動(dòng)化和一定程度的智能化。