微波大功率信号测量不确定度分析
时间：10-02
整理：3721RD
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引言
科学技术的发展，使得微波大功率信号在服务于人类的各个方面发挥着越来越大的作用，特别是在国防建设中，所使用的微波功率越来越大，比如收音机和地面上的雷达功率，已经要求达到上百瓦、甚至上千瓦。这就给计量测试人员提出了更高的要求。微波功率计配上合适的大功率衰减器，普遍应用于大功率微波信号测量过程中，普及率高，对特殊波形信号测量准确等，使它具有其它测量手段无法比拟的优点。研究人员对使用功率计进行点频大功率测量比较欢迎，得到最广泛的应用。
在大功率信号测量过程中，为使测量更加可靠准确，有必要对其中的几个问题进行讨论，除了同样存在于小功率信号测量中的功率计指示器，功率计探头等的基本不确定度以外，对大功率测量有较大影响的因素有以下几个方面：
1、衰减器的温度系统引起的不确定度
2、功率计探头线性引起的不确定度
3、测量系统中，由于转接头，连接线连接不良引起的不确定度
本文最后对大功率信号测量进行总结，比较大功率信号扫频测量与点频测量的优缺点，说明大功率信号功率计点频测量的独到优越性。
不确定度分析
1、衰减器的温度系数引出的测量不确定度
众所周知，微波大功率测量中，由于信号功率比较大，无论使用哪种方法测量，都要用大功率衰减器地信号进行衰减，然后用小功率探头进行测量，在这个过程中衰减器随着工作时间的推移，消耗微波功率能量，产生大量热量，衰减器在不断散热过程中，温度升高，自身温度发生了变化，我们发现，衰减器的温度变化，对衰减量有一定影响，对于不同的衰减器，影响程度不同，性能较好的衰减器变化率为：0.001dB/dB/℃，假设所用衰减器为30dB，工作期间温度变化范围为10℃，由此引起的测量不确定度换算为百分比：
AdB=10lg（1+A%）
AdB=30×10×0.001
=0.3dB
A%=100.3/10-1
=7%
在实际操作中，使用者往往忽视这一点，造成不同时间，不同地点等环境条件改变，引起环境及器件温度的改变，使测试相同大功率信号的结果不同。
为了改善由于衰减器温度变化，使衰减量改变，引起的测量不确定度，应该测量衰减器的温度系数，尽可能缩短测量过程，减小测量时间；采取有效可靠的措施，尽量保证器件及测量环境温度的最小变化；达到温度动态平衡后，测量衰减器的实际衰减量，对测量结果进行补偿。
2、功率探头的功率线性在大功率信号测量中引起的不确定度
大功率信号测量区别于小功率信号测量的主要特征是所测信号功率比较大，一般情况下，功率计探头校准是在小功率信号下进行的，在大功率测量中，由于功率探头的功率线性影响，引起了相应的测量不确定度，比如惠普公司性能较好的HP8481B的功率线性引起的不确定度典型值为4%。
为了减小功率线性对大功率测量的影响，可以通过对功率探头的功率线性进行测量，或者在比较大的功率下进行校准，减小因此而引起的测量不确定度。
3、测量系统中由于转接头及连接线失配引出的测量不确定度
小功率信号测量系统中也存在的，由于转接头及连接线不良造成功率损耗与泄漏的问题，在大功率信号测量中更加明显，由于测量器件的多制式，必然产生这项不确定度，由此产生的不确定度经验值为0.5%。
为了减小这项因素引起的测量不确定度，可以挑选制式相同的精良器件，尽量减少连接器件的使用，必要时要对整套测量系统进行大功率信号较准，测量失配引起的测量不确定度。
由以上分析可知，大功率测量中，如果考虑信号源及其放大器不稳定引起的不确定度0.5%，包含因子为k=2时，不确定度分量可由以下几部分组成：
u1=7%/2=3.5%
u2=4.0%/2=2.0%
u3=0.5%/2=0.25%
u4=0.5%/2=0.25%
UB1=（u2/1+u2/2+u2/4）0.5
=4.0%
考虑一般情况，功率计的不确定度为3%一5%，取中间典型值
uB2=4%/2=2%
大功率测量标准不确定度为：
u=（u2/B1+u2/B2）0.5
=（16+4）0.5
=4.5%
置信概率为P=95%时，包含因子k=2，扩展不确定度为：
U=u×2
=4.5%×2
=9%
如果等测量系统达到温度动态平衡，对衰减器的温度系数引起的不确定度进行修正后，温度变化范围保持在1℃以内，由此引起的测量不确定度换算为百分比：
AdB=10lg（1+A%）
AdB=30×1×0.001
=0.03dB
A%=100.03/10-1
=0.7%
这时u1=0.7%/2=0.35%
UB1 =（u2/1+u2/2+u2/4）0.5
=2.1%
考虑一般情况，功率计的不确定度为3%一5%，取中间典型值
uB2=4%/2=2%
大功率测量标准不确定度为：
u=（u2/B1+u2/B2）0.5
=（4.41+4）0.5
=2.9%
置信概率为P=95%时，包含因子k=2，扩展不确定度为：
U=u×2
=2.9%×2
＝5.8%
因此，在本文提到的情况中，由于大功率测量的扩展不确定度为5.8%-9%。
实际工作中，只要测量人员仔细考虑测量系统不确定度的分析与合成，测量系统合理配置，不要使用过多的转换头，对微波率计进行必要的预热、校准，测量不确定度将会得到一定程度的提高，使测量结果更加准确、可靠。
结论
微波大功率信号测量一般采用检波器和热敏电阻两种方式。无论采用哪种方式，上面提到的测量不确定度都要考虑，扫频测量大多采用网络分析仪检波测量，如果所检波型比较好，不出现畸变，那么用扫频测量具有测量快速的优点。然而，产生大功率信号时，由于各种原因的影响，组成测量系统的设备，比如放大器等不可能达到理想条件，信号必然发生畸变等现象，在这种情况下，用功率计进行点频测量比网络分析仪扫频测量准确，具有独到的优越性。
综上所述，我们全面分析了功率计在微波大功率测量系统中各不确定度分量，以及减小这些不确定度分量的办法，采取这些办法后，知道微波大功率信号测量结果比较准确。
科学技术的发展，使得微波大功率信号在服务于人类的各个方面发挥着越来越大的作用，特别是在国防建设中，所使用的微波功率越来越大，比如收音机和地面上的雷达功率，已经要求达到上百瓦、甚至上千瓦。这就给计量测试人员提出了更高的要求。微波功率计配上合适的大功率衰减器，普遍应用于大功率微波信号测量过程中，普及率高，对特殊波形信号测量准确等，使它具有其它测量手段无法比拟的优点。研究人员对使用功率计进行点频大功率测量比较欢迎，得到最广泛的应用。
在大功率信号测量过程中，为使测量更加可靠准确，有必要对其中的几个问题进行讨论，除了同样存在于小功率信号测量中的功率计指示器，功率计探头等的基本不确定度以外，对大功率测量有较大影响的因素有以下几个方面：
1、衰减器的温度系统引起的不确定度
2、功率计探头线性引起的不确定度
3、测量系统中，由于转接头，连接线连接不良引起的不确定度
本文最后对大功率信号测量进行总结，比较大功率信号扫频测量与点频测量的优缺点，说明大功率信号功率计点频测量的独到优越性。
不确定度分析
1、衰减器的温度系数引出的测量不确定度
众所周知，微波大功率测量中，由于信号功率比较大，无论使用哪种方法测量，都要用大功率衰减器地信号进行衰减，然后用小功率探头进行测量，在这个过程中衰减器随着工作时间的推移，消耗微波功率能量，产生大量热量，衰减器在不断散热过程中，温度升高，自身温度发生了变化，我们发现，衰减器的温度变化，对衰减量有一定影响，对于不同的衰减器，影响程度不同，性能较好的衰减器变化率为：0.001dB/dB/℃，假设所用衰减器为30dB，工作期间温度变化范围为10℃，由此引起的测量不确定度换算为百分比：
AdB=10lg（1+A%）
AdB=30×10×0.001
=0.3dB
A%=100.3/10-1
=7%
在实际操作中，使用者往往忽视这一点，造成不同时间，不同地点等环境条件改变，引起环境及器件温度的改变，使测试相同大功率信号的结果不同。
为了改善由于衰减器温度变化，使衰减量改变，引起的测量不确定度，应该测量衰减器的温度系数，尽可能缩短测量过程，减小测量时间；采取有效可靠的措施，尽量保证器件及测量环境温度的最小变化；达到温度动态平衡后，测量衰减器的实际衰减量，对测量结果进行补偿。
2、功率探头的功率线性在大功率信号测量中引起的不确定度
大功率信号测量区别于小功率信号测量的主要特征是所测信号功率比较大，一般情况下，功率计探头校准是在小功率信号下进行的，在大功率测量中，由于功率探头的功率线性影响，引起了相应的测量不确定度，比如惠普公司性能较好的HP8481B的功率线性引起的不确定度典型值为4%。
为了减小功率线性对大功率测量的影响，可以通过对功率探头的功率线性进行测量，或者在比较大的功率下进行校准，减小因此而引起的测量不确定度。
3、测量系统中由于转接头及连接线失配引出的测量不确定度
小功率信号测量系统中也存在的，由于转接头及连接线不良造成功率损耗与泄漏的问题，在大功率信号测量中更加明显，由于测量器件的多制式，必然产生这项不确定度，由此产生的不确定度经验值为0.5%。
为了减小这项因素引起的测量不确定度，可以挑选制式相同的精良器件，尽量减少连接器件的使用，必要时要对整套测量系统进行大功率信号较准，测量失配引起的测量不确定度。
由以上分析可知，大功率测量中，如果考虑信号源及其放大器不稳定引起的不确定度0.5%，包含因子为k=2时，不确定度分量可由以下几部分组成：
u1=7%/2=3.5%
u2=4.0%/2=2.0%
u3=0.5%/2=0.25%
u4=0.5%/2=0.25%
UB1=（u2/1+u2/2+u2/4）0.5
=4.0%
考虑一般情况，功率计的不确定度为3%一5%，取中间典型值
uB2=4%/2=2%
大功率测量标准不确定度为：
u=（u2/B1+u2/B2）0.5
=（16+4）0.5
=4.5%
置信概率为P=95%时，包含因子k=2，扩展不确定度为：
U=u×2
=4.5%×2
=9%
如果等测量系统达到温度动态平衡，对衰减器的温度系数引起的不确定度进行修正后，温度变化范围保持在1℃以内，由此引起的测量不确定度换算为百分比：
AdB=10lg（1+A%）
AdB=30×1×0.001
=0.03dB
A%=100.03/10-1
=0.7%
这时u1=0.7%/2=0.35%
UB1 =（u2/1+u2/2+u2/4）0.5
=2.1%
考虑一般情况，功率计的不确定度为3%一5%，取中间典型值
uB2=4%/2=2%
大功率测量标准不确定度为：
u=（u2/B1+u2/B2）0.5
=（4.41+4）0.5
=2.9%
置信概率为P=95%时，包含因子k=2，扩展不确定度为：
U=u×2
=2.9%×2
＝5.8%
因此，在本文提到的情况中，由于大功率测量的扩展不确定度为5.8%-9%。
实际工作中，只要测量人员仔细考虑测量系统不确定度的分析与合成，测量系统合理配置，不要使用过多的转换头，对微波率计进行必要的预热、校准，测量不确定度将会得到一定程度的提高，使测量结果更加准确、可靠。
结论
微波大功率信号测量一般采用检波器和热敏电阻两种方式。无论采用哪种方式，上面提到的测量不确定度都要考虑，扫频测量大多采用网络分析仪检波测量，如果所检波型比较好，不出现畸变，那么用扫频测量具有测量快速的优点。然而，产生大功率信号时，由于各种原因的影响，组成测量系统的设备，比如放大器等不可能达到理想条件，信号必然发生畸变等现象，在这种情况下，用功率计进行点频测量比网络分析仪扫频测量准确，具有独到的优越性。
综上所述，我们全面分析了功率计在微波大功率测量系统中各不确定度分量，以及减小这些不确定度分量的办法，采取这些办法后，知道微波大功率信号测量结果比较准确。
沙发~
正在为测试问题发愁~