一種微波功率計自動校準系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)的手工校準微波功率計的局限性，設計并實現(xiàn)了一種基于Visual Basic軟件平臺組建的微波功率計自動校準系統(tǒng)。詳細闡述了系統(tǒng)的硬件構成、工作原理、應用程序的設計以及不確定度的分析和評定。實際應用表明，該系統(tǒng)具有操作使用方便、測量精度高等優(yōu)點。
關鍵詞：微波功率計；自動校準；Visual Basic軟件；模塊化；樹形結構

0 引言
微波功率是工業(yè)科研、生產中有關測量的重要參數(shù)。微波功率計具有測量功率動態(tài)范圍大，頻率范圍寬等特點，廣泛應用于雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)中。如在使用雷達進行跟蹤測試時，首先要確定雷達的作用距離，這就必須測量雷達發(fā)射機的發(fā)射功率，因而微波功率計的準確與否至關重要。校準微波功率計的傳統(tǒng)方法是采用標準微波功率計進行手動測試校準對比結果，步驟復雜，精度低，耗時長。針對該問題，本文設計并實現(xiàn)了0．05～26．5 GHz的微波功率計自動校準系統(tǒng)。

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

系統(tǒng)采用一個三端口器件、標準功率座及標準功率指示器構成傳遞標準；由于功分器的工作頻率范圍(0．05～26．5 GHz)相對于定向耦合器寬且易于實現(xiàn)，以及便于實現(xiàn)完全的自動化校準測試，故采用對稱性良好的功分器作為三端口器件。傳遞標準中沒有外接PIN電調衰減器，而是將由功率計探頭檢測出的電壓送到信號發(fā)生器，并與信號發(fā)生器內部的參考電壓比較，從而建立穩(wěn)幅環(huán)路，獲得了反射系數(shù)小的等效信號源。該傳遞標準由高一級的功率標準定標，確定出校準因子Kc，然后用于校準被檢功率敏感器。
該校準系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功分器、標準功率座(功率敏感器)和標準功率指示器以及計算機等組成。當功分器的測試端口接入被校的功率敏感器時，入射到被校功率計的微波功率為：

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為標準功率座的替代功率，即標準功率指示器的讀數(shù)，單位為mW；Γge，Γu分別為等效信號源以及被校功率敏感器的反射系數(shù)。
實際校準時，由于反射系數(shù)項|1-ΓgeΓu|2中的反射系數(shù)相位無法確定，根據(jù)該項所引入的誤差限相位組合最壞情況分析，可將該項近似分析為1；該項將在不確定度分析時給予考慮。于是，可以簡化為：


2 軟件設計與實現(xiàn)
本文的微波功率自動校準系統(tǒng)采用Visual Basic6．0軟件平臺進行設計開發(fā)，通過IEEE 488接口對各個設備進行控制。在軟件的設計中，采用了自頂向下的樹形結構，并且引入模塊化的設計思想。
根據(jù)傳遞標準法微波功率傳遞系統(tǒng)的手動校準步驟和經驗，在開發(fā)平臺Visual Basic 6．0上按流程圖2編制完成了功率傳遞系統(tǒng)的自動校準測試程序，通過預先設置好初始參數(shù)(如：起始測試頻率、結束測試頻率、被檢功率座型號和序號等)，系統(tǒng)在計算機的控制下，運行功率計、校準測試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、存盤打印等子程序，實現(xiàn)全頻段的自動測試。程序運行過程如程序流程圖2所示。

該程序經調試和運行，已實現(xiàn)了微波功率計校準的自動化。其主界面的結構如圖3所示。控制程序的各個功能模塊具有很強的內聚性，模塊之間的相互通信由主程序來統(tǒng)一調度，人機界面十分友好，在測試的過程中還有相應的提示。
經過與原來的手動校準相比較，該自動校準系統(tǒng)具有自動化程度高、校準效率高、操作簡易的三大優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)的測量不確定度分析
采用傳遞標準法，計算被校功率敏感器校準因子的測量不確定度主要來源有：
(1)標準功率座校準因子Kc不確定度引入的相對標準不確定度分量u1。
該功率傳遞標準經高一級功率標準定標后，給出的允許誤差項誤差極限為：±3％～±4％，設為均勻分布，則相應的相對標準不確定度為：

(2)標準功率座的替代功率測量不準引入的標準不確定度分量u2。
該替代功率由標準功率指示器測量的，其功率指示器的允許誤差項誤差極限為：±0．1％，設為均勻分布，則相應的相對標準不確定度為：

(3)被校功率計替代功率測量不準引入的標準不確定度分量u3。
該替代功率由被校功率計功率指示器測量的，其功率指示器的允許誤差項誤差極限為：±0．5％，設為均勻分布，則相應的相對標準不確定度為：

(4)失配引入的測量標準不確定度分量u4。
由失配引入的測量相對擴展不確定度U(M)=2|ΓgeΓu|，按B類不確定度評定，M的可能值服從反正弦分布，包含因子。測量得出的等效信號源反射系數(shù)為0．05，被校功率計的反射系數(shù)為0．05～0．16，其相對標準不確定度u4為：

(5)各種隨機影響引入的標準不確定度分量u5。
由環(huán)境條件不理想、接頭連接不重復性等各種隨機因素，引入了測量標準不確定度分量，其通常采用實驗標準偏差來表征，用A類不確定度評定方法進行評定，因此該項標準不確定度分量為：

由以上合成為：

因此，該校準系統(tǒng)傳遞標準校準因子的擴展不確定度為：
U=kuc=2uc=3．8％～5．2％
滿足了計量傳遞標準的要求。

4 結語
微波功率自動校準系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的手工校準功率計的手段，顯著地提高了校準工作的效率，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作方便，保證了測量不確定度，滿足了計量傳遞的要求，實現(xiàn)了微波功率計校準過程的自動化和一定程度的智能化。