馮 亮 張露妍 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)的陣面由大量的微波元器件、天線(xiàn)單元和饋線(xiàn)系統(tǒng)組成。完成每一個(gè)輻射單元的信號(hào)發(fā)射和回波信號(hào)接收的功能模塊就叫TR組件。TR組件的性能對(duì)雷達(dá)性能指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。為了驗(yàn)證篩選TR組件，檢測(cè)部門(mén)用各類(lèi)儀表搭建了一套TR組件的測(cè)試系統(tǒng)。以往對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)都是通過(guò)對(duì)組成系統(tǒng)的單臺(tái)儀器分別計(jì)量和系統(tǒng)的功能檢查來(lái)完成的，但并不能驗(yàn)證脈沖峰值功率狀態(tài)下的系統(tǒng)性能，因此需要在脈沖峰值功率下才能準(zhǔn)確測(cè)試其性能參數(shù)，本文主要討論功率參數(shù)測(cè)量方法。

1 測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)的選擇

發(fā)射部分的參數(shù)均在脈沖大功率狀態(tài)下測(cè)試，所以，在選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不僅要考慮其性能是否穩(wěn)定可靠，還要考慮其所能承受的平均功率和峰值功率。經(jīng)過(guò)對(duì)各種被測(cè)TR組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)射端輸出功率的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能承受最大500 W峰值功率或50 W平均功率。考慮承受功率和頻率的覆蓋范圍至少到X波段，實(shí)驗(yàn)選用Weinschel公司的30 dB功率衰減器加R/S公司的寬頻帶功率計(jì)組成脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)。該功率衰減器能夠承受350 W平均功率，可用本院的衰減標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其衰減量進(jìn)行定標(biāo)后使用。經(jīng)對(duì)該衰減器連續(xù)1 h加載100 W脈沖功率（占空比5%）進(jìn)行考機(jī)試驗(yàn)，其衰減量無(wú)明顯變化。寬頻帶功率計(jì)性能穩(wěn)定、一致性較好，可以測(cè)試最大1 W的脈沖功率。

2 脈沖峰值功率下的定標(biāo)方法

脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)由大功率衰減器和脈沖功率計(jì)組成，對(duì)其考核主要是對(duì)衰減器在連續(xù)波、脈沖以及脈沖大功率狀態(tài)下衰減量的考核。

對(duì)衰減器在1.2 GHz、2.8 GHz、9 GHz和12 GHz四個(gè)頻率點(diǎn)上用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)試衰減量，再給衰減器輸入100 W脈沖峰值功率（占空比5%）進(jìn)行1 h的考機(jī)試驗(yàn)，衰減器的表面溫度沒(méi)有明顯上升，衰減量也無(wú)明顯變化。實(shí)驗(yàn)在恒溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并用衰減器底座加裝風(fēng)扇的方法進(jìn)行溫度控制。根據(jù)TR組件測(cè)試時(shí)的設(shè)置，測(cè)試的占空比為1%～10%，實(shí)驗(yàn)時(shí)等效輸出50 W連續(xù)波對(duì)衰減器進(jìn)行1 h考機(jī)試驗(yàn)，記錄衰減器表面溫度的變化和衰減量的變化。將變化量引入標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度評(píng)定。

衰減器的試驗(yàn)中，先使用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別在連續(xù)波小功率和脈沖小功率狀態(tài)下的衰減量各進(jìn)行3次測(cè)試（見(jiàn)表1）。

由表1可以看出，衰減器在連續(xù)波和脈沖波狀態(tài)下的衰減量變化很小，因此可以在連續(xù)波狀態(tài)下對(duì)衰減器的衰減量進(jìn)行定標(biāo)，并且適用在脈沖狀態(tài)。

對(duì)于衰減器在脈沖大功率狀態(tài)下的量值，通過(guò)脈沖調(diào)制信號(hào)源和功率放大器對(duì)衰減器施加100 W（占空比5%）的脈沖功率，在1 h內(nèi)監(jiān)測(cè)衰減器的溫度和衰減量的變化，衰減器在脈沖大功率狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)圖1。

表1 衰減器在不同頻率下測(cè)試

圖1 衰減器脈沖大功率試驗(yàn)框圖

在脈沖大功率試驗(yàn)中，耦合器的耦合度和插損通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試并存入功率計(jì)的偏置，用脈沖調(diào)制信號(hào)發(fā)生器分別產(chǎn)生1.2 GHz、2.8 GHz、9 GHz和12 GHz的脈沖調(diào)制信號(hào)（占空比5%），信號(hào)通過(guò)功率放大器輸出放大至約100 W脈沖功率，定向耦合器耦合端接功率計(jì)測(cè)試其峰值功率，并將耦合器的耦合度設(shè)置為偏置值存入功率計(jì)該通道。脈沖功率信號(hào)經(jīng)耦合器的測(cè)試段接入被測(cè)衰減器，在衰減器輸出端連接功率計(jì)測(cè)試經(jīng)衰減后的峰值功率，兩個(gè)功率計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的差值，即為衰減器的衰減量值。在脈沖大功率狀態(tài)下連續(xù)測(cè)試1 h，每20 min記錄一次數(shù)據(jù)和衰減器表面溫度。脈沖大功率衰減器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

測(cè)試表明，衰減器在脈沖峰值大功率狀態(tài)下衰減量變化很小，最大的衰減量變化為0.11 dB，約為1%，遠(yuǎn)小于脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展測(cè)量不確定度。因而驗(yàn)證在小功率狀態(tài)下對(duì)衰減器進(jìn)行定標(biāo)來(lái)測(cè)試脈沖大功率是可行的，連續(xù)波小功率狀態(tài)下測(cè)試的衰減量滿(mǎn)足在脈沖大功率狀態(tài)下使用要求。

同時(shí)在50 W連續(xù)波大功率下對(duì)衰減量也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表3）。在1 h內(nèi)其衰減量變化最大為0.12，約為1%；遠(yuǎn)小于脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展測(cè)量不確定度?？梢则?yàn)證連續(xù)波小功率狀態(tài)下測(cè)試的衰減量滿(mǎn)足在脈沖大功率狀態(tài)下的使用要求。

為確保功率計(jì)在進(jìn)行峰值功率測(cè)量和平均值功率測(cè)量時(shí)的一致性，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)方法進(jìn)行比較。先將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置到脈沖調(diào)制（T =1 ms，τ= 100 μs）狀態(tài)，調(diào)節(jié)幅度使功率計(jì)在PEAK工作狀態(tài)讀數(shù)Ppk為1 mW,記下此時(shí)示波器上波形幅度A；然后將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置成連續(xù)波輸出狀態(tài)，調(diào)節(jié)信號(hào)源幅度至示波器上波形幅度回到A處；最后將功率計(jì)設(shè)置成AVG工作狀態(tài)，讀出此時(shí)讀數(shù)為Pavg，與Ppk值比較。結(jié)果證明，功率計(jì)在測(cè)量脈沖峰值功率和平均值功率時(shí)，測(cè)量結(jié)果一致，所以在連續(xù)波工作條件下量傳的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以應(yīng)用到脈沖峰值功率情況。

表2 衰減器在脈沖大功率下測(cè)試

表3 衰減器在連續(xù)波大功率下測(cè)試

3 脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)的不確定度分析

脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)由30 dB衰減器加功率計(jì)組成，影響其測(cè)量準(zhǔn)確度的因素比較多，根據(jù)功率計(jì)的技術(shù)指標(biāo)分析，由于零點(diǎn)偏置、零點(diǎn)轉(zhuǎn)移以及功率計(jì)與探頭的噪聲引起的測(cè)量不確定度較小，不予考慮。其他各項(xiàng)不確定度分量分析如下：

1）功率計(jì)絕對(duì)功率測(cè)量不確定度u1

查功率計(jì)說(shuō)明書(shū)，功率計(jì)絕對(duì)功率測(cè)量不確定度為

所以在L波段a1= 3.0%，取則

在S波段a1= 3.0%，取則

在X波段 a1= 4.0%，取則

2）衰減器在大功率狀態(tài)下衰減量變化引入的不確定度u2

通過(guò)對(duì)衰減器在脈沖大功率和連續(xù)波大功率下的實(shí)驗(yàn)，分別給衰減器施加100 W峰值功率（占空比5%）和50 W連續(xù)波功率各1 h，觀察衰減量的變化，衰減量最大變化0.12 dB；轉(zhuǎn)換成相對(duì)值為1.03%。取

3）衰減器衰減量測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度u3

衰減標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度為0.02 dB/10 dB,故測(cè)量30 dB時(shí)可能引入的最大誤差為0.06 dB，用百分?jǐn)?shù)表示為k3= 1.4%，取 k3= 2，則：

4）衰減器與功率探頭失配引入的測(cè)量不確定度u4

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量30 dB衰減器輸出端口的電壓駐波比為 1.27，

由功率計(jì)說(shuō)明書(shū)得到，功率探頭在不同頻率上的電壓駐波比：

0.05 ～2.4 GHz：駐波比 1 .16，| Γ2| = 0.074；

2.4 ～ 8.0 GHz： 駐波比 1 .20，| Γ2| = 0.09；

8.0 ～ 18.0 GHz：駐波比 1 .25，| Γ2| = 0.11。

因此，衰減器與功率計(jì)失配引入的測(cè)量不確定度在不同頻段分別為

5）功率計(jì)校準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度u5

查功率計(jì)說(shuō)明書(shū)，功率計(jì)校準(zhǔn)不確定度為

所以在L波段a5= 1.5%，取則

S波段a5= 1.6%，取則

X波段a5= 2.1%，取則

6）測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度uA

用脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一穩(wěn)定的脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，結(jié)果如下：

L 波段：99.7、99.6、99.4、99.4、99.5、99.5，單位W；

S 波段：99.3、99.2、99.2、99.2、99.3、99.2，單位W；

X 波段：99.0、98.9、99.1、99.0、99.0、99.1，單位W；

所以，脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)的合成不確定度uC為

脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度U為（取k= 2）

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了脈沖峰值功率下功率參數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)選擇和定標(biāo)方法，通過(guò)衰減量的測(cè)量和考機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了連續(xù)波小功率狀態(tài)下測(cè)試的衰減量能夠滿(mǎn)足在脈沖大功率狀態(tài)下的使用要求。提出了峰值功率測(cè)量和平均值功率測(cè)量時(shí)的一致性的驗(yàn)證方法，給出了測(cè)量參考數(shù)據(jù)，并詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)中選用的脈沖峰值功率標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量不確定度。解決工作狀態(tài)下微波器件校準(zhǔn)的難題，為工程專(zhuān)用微波器件的功率參數(shù)校準(zhǔn)方法提供了借鑒。

[1]國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司. 無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)計(jì)量[M]. 北京：原子能出版社，2002.

[2]余振坤，鄭新. 一種微波脈沖大功率器件的幅相測(cè)試方法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2002（3）：60-62.