馮 亮 張露妍 / 江蘇省計量科學(xué)研究院

0 引言

相控陣雷達的陣面由大量的微波元器件、天線單元和饋線系統(tǒng)組成。完成每一個輻射單元的信號發(fā)射和回波信號接收的功能模塊就叫TR組件。TR組件的性能對雷達性能指標起著至關(guān)重要的作用。為了驗證篩選TR組件，檢測部門用各類儀表搭建了一套TR組件的測試系統(tǒng)。以往對測試系統(tǒng)的校準都是通過對組成系統(tǒng)的單臺儀器分別計量和系統(tǒng)的功能檢查來完成的，但并不能驗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確測試其性能參數(shù)，本文主要討論功率參數(shù)測量方法。

1 測量用標準的選擇

發(fā)射部分的參數(shù)均在脈沖大功率狀態(tài)下測試，所以，在選擇標準時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)過對各種被測TR組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)射端輸出功率的測量標準應(yīng)能承受最大500 W峰值功率或50 W平均功率?？紤]承受功率和頻率的覆蓋范圍至少到X波段，實驗選用Weinschel公司的30 dB功率衰減器加R/S公司的寬頻帶功率計組成脈沖峰值功率標準。該功率衰減器能夠承受350 W平均功率，可用本院的衰減標準裝置對其衰減量進行定標后使用。經(jīng)對該衰減器連續(xù)1 h加載100 W脈沖功率（占空比5%）進行考機試驗，其衰減量無明顯變化。寬頻帶功率計性能穩(wěn)定、一致性較好，可以測試最大1 W的脈沖功率。

2 脈沖峰值功率下的定標方法

脈沖峰值功率標準由大功率衰減器和脈沖功率計組成，對其考核主要是對衰減器在連續(xù)波、脈沖以及脈沖大功率狀態(tài)下衰減量的考核。

對衰減器在1.2 GHz、2.8 GHz、9 GHz和12 GHz四個頻率點上用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測試衰減量，再給衰減器輸入100 W脈沖峰值功率（占空比5%）進行1 h的考機試驗，衰減器的表面溫度沒有明顯上升，衰減量也無明顯變化。實驗在恒溫實驗室進行，并用衰減器底座加裝風(fēng)扇的方法進行溫度控制。根據(jù)TR組件測試時的設(shè)置，測試的占空比為1%～10%，實驗時等效輸出50 W連續(xù)波對衰減器進行1 h考機試驗，記錄衰減器表面溫度的變化和衰減量的變化。將變化量引入標準裝置的不確定度評定。

衰減器的試驗中，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)下的衰減量各進行3次測試（見表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)下對衰減器的衰減量進行定標，并且適用在脈沖狀態(tài)。

對于衰減器在脈沖大功率狀態(tài)下的量值，通過脈沖調(diào)制信號源和功率放大器對衰減器施加100 W（占空比5%）的脈沖功率，在1 h內(nèi)監(jiān)測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)下的實驗方法見圖1。

表1 衰減器在不同頻率下測試

圖1 衰減器脈沖大功率試驗框圖

在脈沖大功率試驗中，耦合器的耦合度和插損通過網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試并存入功率計的偏置，用脈沖調(diào)制信號發(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（占空比5%），信號通過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測試其峰值功率，并將耦合器的耦合度設(shè)置為偏置值存入功率計該通道。脈沖功率信號經(jīng)耦合器的測試段接入被測衰減器，在衰減器輸出端連接功率計測試經(jīng)衰減后的峰值功率，兩個功率計測試數(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驗數(shù)據(jù)見表2。

測試表明，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%，遠小于脈沖峰值功率標準的擴展測量不確定度。因而驗證在小功率狀態(tài)下對衰減器進行定標來測試脈沖大功率是可行的，連續(xù)波小功率狀態(tài)下測試的衰減量滿足在脈沖大功率狀態(tài)下使用要求。

同時在50 W連續(xù)波大功率下對衰減量也進行了實驗（見表3）。在1 h內(nèi)其衰減量變化最大為0.12，約為1%；遠小于脈沖峰值功率標準的擴展測量不確定度。可以驗證連續(xù)波小功率狀態(tài)下測試的衰減量滿足在脈沖大功率狀態(tài)下的使用要求。

為確保功率計在進行峰值功率測量和平均值功率測量時的一致性，實驗時設(shè)計一套試驗方法進行比較。先將信號發(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)幅度使功率計在PEAK工作狀態(tài)讀數(shù)Ppk為1 mW,記下此時示波器上波形幅度A；然后將信號發(fā)生器設(shè)置成連續(xù)波輸出狀態(tài)，調(diào)節(jié)信號源幅度至示波器上波形幅度回到A處；最后將功率計設(shè)置成AVG工作狀態(tài)，讀出此時讀數(shù)為Pavg，與Ppk值比較。結(jié)果證明，功率計在測量脈沖峰值功率和平均值功率時，測量結(jié)果一致，所以在連續(xù)波工作條件下量傳的校準數(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試

表3 衰減器在連續(xù)波大功率下測試

3 脈沖峰值功率標準的不確定度分析

脈沖峰值功率標準由30 dB衰減器加功率計組成，影響其測量準確度的因素比較多，根據(jù)功率計的技術(shù)指標分析，由于零點偏置、零點轉(zhuǎn)移以及功率計與探頭的噪聲引起的測量不確定度較小，不予考慮。其他各項不確定度分量分析如下：

1）功率計絕對功率測量不確定度u1

查功率計說明書，功率計絕對功率測量不確定度為

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

通過對衰減器在脈沖大功率和連續(xù)波大功率下的實驗，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)換成相對值為1.03%。取

3）衰減器衰減量測量不準引入的測量不確定度u3

衰減標準裝置測量不確定度為0.02 dB/10 dB,故測量30 dB時可能引入的最大誤差為0.06 dB，用百分數(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量不確定度u4

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

由功率計說明書得到，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，衰減器與功率計失配引入的測量不確定度在不同頻段分別為

5）功率計校準引入的測量不確定度u5

查功率計說明書，功率計校準不確定度為

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）測量重復(fù)性引入的測量不確定度uA

用脈沖峰值功率標準對一穩(wěn)定的脈沖調(diào)制信號進行重復(fù)測量，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，脈沖峰值功率標準的合成不確定度uC為

脈沖峰值功率標準的擴展不確定度U為（取k= 2）

4 結(jié)語

本文簡要介紹了脈沖峰值功率下功率參數(shù)測量的標準選擇和定標方法，通過衰減量的測量和考機實驗驗證了連續(xù)波小功率狀態(tài)下測試的衰減量能夠滿足在脈沖大功率狀態(tài)下的使用要求。提出了峰值功率測量和平均值功率測量時的一致性的驗證方法，給出了測量參考數(shù)據(jù)，并詳細分析實驗中選用的脈沖峰值功率標準的測量不確定度。解決工作狀態(tài)下微波器件校準的難題，為工程專用微波器件的功率參數(shù)校準方法提供了借鑒。

[1]國防科工委科技與質(zhì)量司. 無線電電子學(xué)計量[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試方法[J]. 現(xiàn)代雷達，2002（3）：60-62.