自动功率计校准系统

自动功率计校准系统

杨野

（上海交通大学上海200000）

摘要：为了满足9kHz～50GHz宽频带范围内不同接头功率敏感器的高准确度校准需求，通过对采用热敏电阻座进行量值传递的校准方法和原理进行分析，提出了宽频带系统采用不同接头形式的标准热敏电阻座建立小功率校准装置的必要性，并针对系统中不同接头形式的标准热敏电阻座的连接问题设计了高准确度的多电桥热敏电阻功率计以节约成本。最后通过此系统不同接头形式的功率标准分别对不同接头形式的功率敏感器进行校准实验和数据分析，证明了此系统的优越性能。

关键词：功率；校准系统；热敏电阻座；宽频带

1前言

射频微波和毫米波功率敏感器广泛应用于航空、制造、通信等领域，如高速发展的半导体行业，为了减少工艺过程控制、提高产品产量以及减少开发时间，要求很高的功率测量准确度，甚至在18GHz频率范围内要求它们的功率测量准确度在2%内。

功率计量的主要目的是对功率敏感器进行校准，以保障功率量值传递的准确性。在传统的功率计量标准方法研究中，国家基准和最高计量标准均以测热方式的直流替代法（交替比较法）测量射频微波和毫米波功率，因该方法的量值复现性最好；而在进行功率量值传递的过程中，世界上大部分国家和地区均采用热敏电阻进行量值传递的方法（传递标准法），因该方法可以将功率量值准确溯源至国家基准或最高计量标准。

功率敏感器校准的主要参数有校准因子（k）和反射系数（Γ）。被计量的功率敏感器其校准因子的校准结果准确性对日渐需求高精度功率测量的领域非常重要，同时对各级功率计量标准的量值传递的一致性也会产生重要影响，尤其被计量的对象为功率计量标准的热敏电阻座。下面将围绕采用传递标准法构建的宽频带小功率校准系统展开讨论和分析：从传递标准法的校准原理切入，进行系统误差分析，找出误差的产生原因；根据分析结果建立一个覆盖不同接头形式的校准系统，更大程度上减小校准误差；最后通过实验，对该宽频带系统的准确性指标进行数据验证与考核。此研究思路不局限于射频微波和毫米波频段，也可以为将来亚毫米波，甚至太赫兹功率方面的系统建标工作提供参考。

2宽频带小功率校准系统分析

2.1系统工作原理分析

采用传递标准法建立的宽频带小功率校准系统通常由一个三端口器件（定向耦合器或功分器）、功率传递标准座以及稳幅信号源组成。此系统一方面提供稳幅输出的低反射系数信号源，另一方面构建宽频带的量值传递系统；由于电阻式功分器更易满足宽频率范围的要求，所以一般使用对称性良好的功分器作为功率传递标准座的三端口器件。

宽频带小功率系统组成包括传递标准、稳幅信号源以及被校功率计等设备。其中传递标准为功分器与热敏电阻座组成的通过式传递标准座，它们的配套测量设备为功率电桥和数字电压表；稳幅信号源提供稳定幅度输出且较纯净（可忽略谐波分量和杂波影响）的输出信号。

由热敏电阻座和功分器组成的传递标准座，其校准因子kc定义是：从功分器端口3入射到热敏电阻座中的替代功率Pbc与从功分器端口2入射到无反射负载上的功率Pｏ之比。因此，将标准功率计（上一级功率标准）连接到传递标准的测试端口2，标准功率计的直流替代功率记为PbS，假设标准功率座的校准因子为kS，输入的反射系数为ΓS，入射到标准功率座的微波功率Pin为：

式中：kc为传递标准功率座的校准因子；Pbu为被校功率敏感器的功率指示器读数，mW；Pbc为传递标准功率座的直流替代功率，mW；Γge为等效源反射系数；Γu为被校功率敏感器的反射系数；Γin为转接头的输入反射系数；S22为转接头的输出反射系数；S21为转接头的正向传输系数。

由式（4）可知，被校功率敏感器的校准因子的测量不确定度不仅与传递标准座的测量参量有关，还与转接头引入的插损、输入输出反射系数等的测量参量有关。实际应用中，转接头的插损和反射系数的测量常常被忽略；即使对采用的转接头参量进行校准，其校准结果的测量误差也会对被校功率敏感器校准因子的测量准确度产生较大影响。由此可见，被校功率敏感器的接头与传递标准的输出接头一致，传递标准与校准端面之间不使用转接头，可以减少转接头的测量参量引入的测量误差，从而提高功率校准系统的测量准确度。

4结束语

采用多电桥热敏电阻功率计组建不同接头形式的小功率校准系统，可以满足9kHz～50GHz宽频带小功率校准系统建立的要求并有效节约成本，为计量校准实验室提供了宽频带、高准确度、低成本建标的选择途径。同时，使用不同形式的标准对同一敏感器进行校准和数据分析，为各级计量标准实验室的日常计量校准工作提供了可参考依据，并为更高频率校准工作的开展提供了思路。

参考文献：

[1]吴广富易燕林峰.改进的功率校准算法[J].；数字通信.2014（06）

[2]郭艳培王勇.频功率校准仪的GPIB接口开发[J].电子测试.2009（09）