大功率测量技术论文

1大功率校准链路热参数变化对电路S参数影响

由于小功率信号计量校准技术非常成熟，测量方法和测量设备都非常完善，测量不确定度也很小。相比小功率信号，大功率信号热效应显著、非线性特性显著，模型很难建立。大功率部件稳定性差，离散性大，直接校准非常困难，因此如何把大功率信号不失真地转化为标准的小功率信号，利用已建立的小功率计量标准开展精确量传就成为关键问题。首先，我们需要研究和分析定向耦合器链路的温度特性、电性能特性。3．1定向耦合器功率－温度特性实验我们利用功率计、定向耦合器、大功率负载、功率放大器、非接触温度测量仪等构建了一套简单的功率－温度特性实验系统。给系统加不同的功率，在此功率下稳定一段时间，监测定向耦合器输入端、耦合端、输出端和负载输入端附件的温度。实验数据见表2。从实验分析可以得出以下结论。1)整个链路施加功率时，定向耦合器整体发热量很小，温升变化(21℃～26℃)，温度变化很小;2)系统选用的27000(同轴)500W定向耦合器，在常温下，链路承受功率小于50W时，链路上各监测点的温度都变化不大，在5min内都达到了温度平衡状态;3)链路功率大于50W时，链路上定向耦合器各监测点的温度变化不大，但负载检测点温度变化较大，需要15min才能达到热平衡;4)链路上热量主要集中在负载部位，负载的材料的热导率很高，导热效果很好，但对邻近的定向耦合器输出端口温度影响很小，因此定向耦合器的小功率和大功率状态下的温度比较稳定。3．2定向耦合器电性能－温度特性实验根据定向耦合器功率－温度特性实验中，系统加不同功率功率后稳定的温度，我们利用矢量网络分析仪、定向耦合器、大功率负载、温箱等构建了一套简单的电特性－温度特性实验系统，进行环境模拟实验，实验的温度箱设置温度按照上面的大功率实验获取的链路温度来设定，实验温度变化间隔一般小于5℃，以获取大功率计量校准链路温度变化对电参数特性的影响，测量耦合度和驻波比等性能来评估系统。校准矢量网络分析仪，把待测定向耦合器连接大功率负载放入温箱，温箱外的矢量网络分析仪通过长电缆连接到被测件的输入端和耦合端。根据功率－温度特性实验中定向耦合器温度变化，设置温箱温度22℃和26℃，在此温度下稳定15min，监测定向耦合器耦合端驻波、输入端驻波和耦合度的变化。实验数据如图3至图5所示。下面进行大功率负载温度实验，把待测大功率负载放入温箱，温箱外的矢量网络分析仪通过长电缆连接到被测件的输入端。根据功率－温度特性实验中大功率负载的温度变化，设置温箱温度22℃～60℃，监大功率负载输入端驻波的变化。实验数据图6所示。定向耦合器电性能－温度特性实验可知，大功率校准系统具有链路发热量小，热分布均匀，后级大功率负载产生的热量对定向耦合器耦合度基本不产生影响，电性能都最接近常温下的小功率状态。因此常温小功率状态下的校准数据在大功率状态下仍然准确、有效。

2控制软件工作原理

测量控制使用软件负反馈方法对功率放大器输出功率进行定标，具体实现方法为设置信号源CW模式、频率和输出幅度。根据具体标定功率设置合适的系统耦合度(包括定向耦合器耦合度+程控衰减器B的衰减量+钢电缆插损，统一整体标定)，设置程控衰减器A控制功率放大器输入功率。程控衰减器的设置原则是使标准功率计F1109和M1110测量功率在最佳测量范围，即(0～+10)dBm。打开信号源输出，软件系统测量到输出功率，并与标定功率取差，将该差值作为信号源的幅度变化量，进入循环，跳出循环的条件是该差值绝对值小于等于0．02dB。在给信号源幅度重新赋值之前，判断将要赋的值，若过大，启动保护程序，跳出循环，若合适，则继续，直到跳出循环完成设置。此时读出输入功率和输出功率，通过类似步骤，即可完成功率放大器额定功率、增益、1dB压缩点输出功率和最大功率等下面的校准，大功率计量校准软件框图如图7所示。

3测量不确定度评定实例

1)由系统耦合度(定向耦合器耦合度+电缆插损+程控衰减器)引入的相对标准不确定度分量u1;2)大功率下，由定向耦合器温度变化对系统耦合度影响引入的相对标准不确定度分量u2;3)由标准功率计M1110引入的相对标准不确定度分量u3;4)系统耦合器输入和耦合端面失配引入的相对标准不确定度分量u4;不确定度分析数学模型标准不确定度评定系统耦合度(定向耦合器耦合度+电缆插损+程控衰减器)引入的相对标准不确定度分量u1系统耦合度使用校准接收机N5531S进行校准，测量时使用校准值，查相关报告资料，该校准值对应的测量不确定度U=0．10dB(k=2)。大功率下，由定向耦合器温度变化对系统耦合度影响引入的相对标准不确定度分量u2大功率条件下，定向耦合器温度会有小幅变化，根据系统提供降温措施的实验数据，功率加到200W后，温度将从22℃升到26℃。通过温度实验得出，4℃变化对耦合度的影响＜0．05dB。取耦合度变化为a=0．05dB。由此引入的不确定度分量按B类方法评定，认为该项服从均匀分布，取包含因子k槡=3，则该相对标准不确定度分量u2为u2=a/k槡=0．05dB/3=0．029dB(3)转换成线性表示u2=0．67%由标准功率计M1110引入的相对标准不确定度分量u3查标准功率计M1110不确定度评定报告，10MHz该项不确定度为U=1．1%(k=2)，18GHz该项不确定度为U=2．1%(k=2)。由此引入的不确定度分量按B类方法评定，则该相对标准不确定度分量u3为10MHz:u3=U/k=1．1%/2=0．55%(4)18GHz:u3=U/k=2．1%/2=1．05%(5)系统耦合器输入和耦合端面失配引入的相对标准不确定度分量u4查微波功率放大器和定向耦合器资料和证书，结合经验值，功放输出热驻波与考虑温度影响后定向耦合器输入口驻波，耦合系统端口驻波和标准功率计驻波见表3和表4。按2ΓGeΓu计算得失配误差限后合成。由此引入的不确定度分量按B类方法评定，其引入的标准不确定度按反正弦分布估计，取包含因子k=槡2，则该合成后的相对标准不确定度分量u4为本文提出采用基于级联耦合技术的测量方法，搭建了校准系统。该方法具有准确可靠、可溯源、实时、控制简单、扩展性强等优点，同时测试时又不影响链路的工作。经过实验验证，定向耦合器对大功率信号吸收较少，发热较少，保证了系统状态的稳定性和标定数据的一致性，独创性地提出了基于软件负反馈的功率定标技术，使整个校准过程准确高效。另外，针对该系统对额定功率校准项目完整地进行了不确定度评定，结果证明，该系统比现有的大功率测量技术和方法有优势，提高了大功率测量准确度，减小了系统测量不确定度。目前，本文所提出的基于级联耦合技术的测量系统已经用于星载功率放大器的校准和大功率信号的测量标定，效果很好。

作者：王付涛 林睿 潘宝毅 单位：中国航天科技集团五院西安分院