CN110118895A - 一种用于测量源端热态反射系数的测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于测量源端热态反射系数的测量方法，所述测量方法包括：S1、利用矢量网络分析仪对负载调配系统的阻抗进行定标；S2、将所述负载调配系统接入功率源和负载之间；S3、打开所述功率源中的信号源，调节所述负载调配系统，使所述负载调配系统与所述功率源中的功率放大器达到完全匹配状态，获取完全匹配状态下的所述负载调配系统中双定向耦合器输入端口的输入阻抗；S4、基于阻抗匹配原理，计算源端热态反射系数。

Description

一种用于测量源端热态反射系数的测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及功率测量领域，特别是涉及一种用于测量源端热态反射系数的测量方法及测量装置。
背景技术
源端反射系数测量是高频和微波功率精确测量的前提，目前，源端反射系数测量方法有三种，分别是网络差频测量法、大失配法和阻抗调配法。
网络差频测量法是利用网络分析仪在临近频点对被测设备反射系数进行测量的一种方法。其原理是利用网络分析仪内部数字滤波器滤除掉被测设备工作频率信号，在临近频点测量被测设备输出端口的反射系数。由于网络分析仪只能承受较小的信号功率，因此，此方法无法用来测量大功率源端热态反射系数。
大失配法是通过使用大失配功率座和不同长度的空气线连用，采用最小二乘法对方程组求解，计算出源端反射系数的方法，如图1所示。只要选择适当相位差的空气线可以实现整个频带内扫频测试，可大大减少了测试时间。另外，功率座与空气线组合的负载反射系数只需测试一次，就可用于测量各种不同设备的源端反射系数。
阻抗调配法，是利用调配器将源端的输出阻抗与负载阻抗达到共轭匹配状态，即反射系数满足ΓG＝ΓL*，此时，源端传输到负载的功率最大。利用矢量网络分析仪测量出ΓL，就可间接测量出源端反射系数ΓG，这就是阻抗调配原理。如图2所示。阻抗调配法的缺点在于调配器只能实现一个端面的阻抗匹配，因此，功率计无法通过测量功率极大值，准确判断ΓG＝ΓL*是否实现。该种方法只能粗略测试源端反射系数，主要用于大功率元器件散射参量的测量。
在测量小信号微波功率时，我们通过前面所述的三种测量方法，可测量出负载端的反射系数和源端的反射系数。但当信号功率很大时，器件会发热、形变，其传输参数会随功率大小发生非线性改变。因此，原有的测量方法无法实现中大功率下源端反射系数的测量，无法保证中大功率的准确测量。开展中功率下热态反射系数测量技术研究，能很大程度提高中功率测量的准确度，减小中功率标准的测量不确定度，实现量值溯源。中大功率源包括各种发射机以及功率放大器等信号放大设备，这些设备需要外接天线、负载等设备才能正常工作。一般，在进行反射系数测试时，需要断开外接设备单独测试，这样，就无法准确捕捉功率源的工作状态。功率放大器的技术指标中，额定输出功率是其最重要的技术指标之一，其反映功率放大器在阻抗完全匹配下的信号输出能力。而实际测量时，测试设备无法达到与功率放大器完全匹配状态，并且匹配程度不可知，这就无法准确测量功率放大器的额定输出功率，并且无法保证功率量值的准确统一。
综上所述，现有三种测量方法无法实现在线测量中大功率源端热态反射系数，进而无法获得中大功率的准确测量和功率放大器在失配下的真是输出功率值，无法实现量值溯源。因此，需要提供一种用于测量源端热态反射系数的测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量源端热态反射系数的测量方法及测量装置，以解决上述问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一方面公开了一种用于测量源端热态反射系数的测量方法，所述测量方法包括：
S1、利用矢量网络分析仪对负载调配系统的阻抗进行定标；
S2、将所述负载调配系统接入功率源和负载之间；
S3、打开所述功率源中的信号源，调节所述负载调配系统，使所述负载调配系统与所述功率源中的功率放大器达到完全匹配状态，获取完全匹配状态下的所述负载调配系统中双定向耦合器输入端口的输入阻抗；
S4、基于阻抗匹配原理，计算源端热态反射系数。
优选地，在所述步骤S1中具体包括：
S11、对所述矢量网络分析仪进行预热后连接标准件，利用确定的校准频率对所述矢量网络分析仪的二端口进行校准；
S12、将校准后的矢量网络分析仪接入所述负载调配系统；
S13、测试所述负载调配系统的中大功率调配器的滑片在各个标定位置时相应的散射参数；
S14、利用最小二乘法对各个标定位置的散射参数进行修正；
S15、利用修正后的散射参数及标定位置的位置信息建立所述双定向耦合器输入端口的输入阻抗的数据库进行保存。
优选地，所述负载调配系统还包括中大功率调配器，将所述负载调配系统接入功率源和负载之间包括：将所述信号源、所述功率放大器、所述双定向耦合器、所述中大功率调配器和所述负载依次连接，
其中，所述矢量网络分析仪接入所述功率放大器输出侧的端面。
优选地，所述调节所述负载调配系统，使所述负载调配系统与所述功率源中的功率放大器达到完全匹配状态，获取完全匹配状态下的所述负载调配系统中双定向耦合器输入端口的输入阻抗进一步包括：调节所述中大功率调配器，当设置在所述双定向耦合器中的入射功率计功率度数达到最大值时，判断所述负载调配系统与所述功率放大器达到完全匹配状态，获取所述负载调配系统的滑片相应位置，并根据滑片相应位置确定双定向耦合器输入端口的输入阻抗。
优选地，所述基于阻抗匹配原理，计算源端热态反射系数进一步包括：基于阻抗匹配原理，建立源端热态反射系数与所述输入阻抗的关系式，根据所述关系式求得到源端热态反射系数。
优选地，所述关系式：
其中，ΓG为源端热态反射系数；Z0为特征阻抗，ZL *为输入阻抗ZL的共轭。
本发明第二方面提供了一种用于测量源端热态反射系数的测量装置，所述测量装置，执行以上所述测量方法的步骤，以实现测量源端热态反射系数。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案既可适用于同轴接头，又可适用于波导接头，能解决现有技术中源端热态反射系数无法精确测量的难题。1、实现了中大功率的准确测量；2、中大功率源反射系数的在线测量；3、通过阻抗牵引原理，计算功率放大器在失配下的真实输出功率值，实现量值溯源。基于本发明所公开的测量方法能实现热态下器件反射系数的测量，能有效提高中大功率测量精度，并可作为功率放大器输出功率的重要测量手段。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出大失配法原理框图；
图2示出阻抗调配法原理框图；
图3示出本发明一个实施例中源端热态反射系数的测量方法流程图；
图4示出本发明一个实施例中源端热态反射系数的测量框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的一个实施例中公开了一种源端热态反射系数的测量方法，如图3所示，所述方法包括S1、利用矢量网络分析仪对负载调配系统的阻抗进行定标；S2、将所述负载调配系统接入功率源和负载之间；S3、打开所述功率源中的信号源，调节所述负载调配系统，使所述负载调配系统与所述功率源中的功率放大器达到完全匹配状态，获取完全匹配状态下的所述负载调配系统中双定向耦合器输入端口的输入阻抗；S4、基于阻抗匹配原理，计算源端热态反射系数。
基于本实施例所述方法，测量过程中所使用的测量设备，如图4所示，包括：相应频段的双定向耦合器、入射功率计、中大功率调配器、负载及矢量网络分析仪。其中，双定向耦合器是四端口无源器件，信号通过时会根据插入损耗的大小在信号通路上产生热量，一般，大功率双定向耦合器的插入损耗大约为(0.1～0.2)dB，并配有风扇进行散热处理，使工作时其温度变化不明显；中大功率调配器是阻抗调配器件，将其设计为通过式，使其本身不吸收功率，因此这种调配器可通过较大功率的信号，故可将其看成中大功率调配器；负载的作用是吸收微波功率，并将其转换成热量，优选地，根据吸收功率的大小及散热的原理，可选择干式负载，水循环负载等；入射功率计，能够测量功率的大小，调整所述中大功率调配器时，用于确定负载调配系统是否与放大器达到共轭匹配状态；矢量网络分析仪是测量器件传输参数的专用设备，在本发明的测试框图中，仅用其测试端面的反射系数。
在本实施例中，由于滑块是在2维空间移动的，即x轴和y轴，在每一个(x,y)位置，用网络分析仪进行测试。利用矢量网络分析仪对双定向耦合器及中大功率调配器组成的负载调配系统进行定标，包括：对所述矢量网络分析仪进行预热后连接标准件，利用确定的校准频率对所述矢量网络分析仪的二端口进行校准；将校准后的矢量网络分析仪接入所述负载调配系统；测试所述负载调配系统的中大功率调配器的滑片在各个标定位置时相应的散射参数；利用最小二乘法对各个标定位置的散射参数进行修正；利用修正后的散射参数及标定位置的位置信息建立调配器滑片在不同点位下的双定向耦合器输入端口阻抗值的数据库进行保存。
在本实施例中，按图4连接好测量链路，即将所述信号源、所述功率放大器、所述双定向耦合器、所述中大功率调配器和所述负载依次连接，其中所述矢量网络分析仪接入所述功率放大器输出侧的端面。打开信号源，调节设备输出，使其达到工作状态。然后调节中大功率调配器的滑片位置，使入射功率计的功率读数达到最大值。在共轭匹配状态下，吸收的功率最大。然后，通过数据库查出滑片该位置下的输入阻抗ZL，根据匹配原理可知，双定向耦合器输入端口阻抗ZL等于源端热态反射系数的共轭ZG *，即ZL＝ZG *，建立源端热态反射系数与输入阻抗的关系式，根据下式计算系统特征阻抗下的源端热态反射系数ΓG；
其中，ZL为输入阻抗；Z0为特征阻抗；ZL *为输入阻抗ZL的共轭。
通过实验测试证明，本发明的热态反射系数测量方法能实现同轴及波导系统的源端反射系数测量，对于尺寸较大的同轴系统和低频波导系统，有非常良好的测量精度。
本发明所公开的测量方法，按图4方式连接后，还可同时对获得的中大功率调配器和负载组合系统的反射系数ΓL进行测试验证。入射功率计测量的是入射功率的耦合量，他可以直接观察功率输出是否达到最大值，以此判断共轭匹配的条件。在所述双定向耦合器处还设有反射功率计，利用入射功率计和反射功率计组合又可以测量热态下(即中大功率下，器件发热时)中大功率调配器和负载组合系统的反射系数ΓL，
其中，Vγ表示发射波电压；Vi表示入射波电压；R表示特征阻抗；Pi表示入射波功率，Pγ表示反射波功率。
基于入射功率计和反射功率计组合获得的中大功率调配器和负载组合系统的反射系数ΓL，能够用以比较其和小信号功率测试中反射系数的差异，实际测试中没有差异，如果不一致，将导致热态反射系数测量结果不可信。
本发明的测量方法避免了器件发热对数据测量的影响。在进行阻抗调配系统定标时，需要矢量网络分析仪完成。而测量是在中功率下进行的，故需要进行误差分析。本发明对此提供了如下计算过程加以验证：
选用铜质波导调配器和双定向耦合器进行测试。测试信号频率设定为6GHz，功率100W，工作时间10分钟。
调配器由波导插损发热的功率
P21＝A×L×P (3)
其中，A为衰减量；(铜波导0.086)
L为调配器长度20cm；
P为输入功率100W。
故P21(铜)＝0.39W
在根据热力学公式
Q＝P21×t＝C×M×△T (4)
其中，t为工作时间10min；
C为比热容；(铜0.39×103J/kg℃)
M为质量；(铜波导1.846kg/m)
故△T(铜)＝1.65℃
金属受热会发生热膨胀，改变波导尺寸，进而改变波导特性阻抗。
△a＝δ×a×△T
△b＝δ×b×△T (5)
其中，δ为热膨胀系数；(铜17.7×10-6/℃)
a,b分别为WR159波导长；短边长度(a＝40.386mm,b＝20.193mm)
故△a(铜)＝0.0012mm,△b(铜)＝0.0006mm
根据波导阻抗计算公式，可知，中大功率调配器由热膨胀引起的阻抗变化是一个小量，可忽略不计。
负载牵引测量的准确度主要取决于调配器的准确度，调配的准确度主要受器下述影响：调配器的分辨率,调配器的分辨率通常以其工作最高频点下每个步进的值来表示，步进尺寸水平1.27μm；垂直0.75μm。通过实验测试，其反射系数的调配准确度在0.02(@1.1～1.5)。
在进行热态反射系数测量之前，需要使用矢量网络分析仪对中功率调配器和双定向耦合器进行散射参数的定标。要求矢量网络分析仪所用电缆、连接器等质量好、未有磨损、并对矢网做TRL校准，才能保证其校准的不确定度。根据上级计量机构量传的证书，可知散射参数的测量不确定度按B类方法评定，其不确定度分量为0.01。
定向耦合器耦合度随功率的变化量为0.1dB/2kW并随功率呈线性变化，因此，100W功率下定向器耦合度的变化量为0.005dB。
通过实验测试证明，本发明的一种用于源端反射系数的测量方法，在源端频率6GHz，功率100W下，能实现反射系数测量不确定度达到0.02～0.05(k＝2),驻波系数大于1.1。
综上，本发明中所述的用于测量源端热态反射系数的测量方法，准确测量获得的源端热态反射系数：
1)实现了中大功率的准确测量。
功率测量的主要任务是测量微波信号源对匹配负载所能提供的微波功率值，即P0值。功率座吸收的净功率可表示为：
P0表示源输出功率(源可以代表信号源输出的小信号功率，也可以由信号源和放大器组成的中大功率信号，还可以是发射机输出的信号功率等等)；PL表示测试设备所吸收的功率；ΓL表示负载的反射系数(负载可以是纯负载，也可以是具有显示功率或别的参数的测量设备)；ΓG表示源的反射系数。
在测量小信号微波功率时，我们通过前面所述的三种测量方法，可测量出负载端的反射系数ΓL和源端的反射系数ΓG。但当信号功率很大时，器件会发热、形变，其传输参数会随功率大小发生非线性改变。因此，原有的测量方法无法实现中大功率下源端反射系数的测量，无法保证中大功率的准确测量。基于本发明所述测量方法带来的对中功率的测量，很大程度提高了中功率测量的准确度，减小中功率标准的测量不确定度，实现量值溯源。
2)中大功率源反射系数的在线测量
中大功率源包括各种发射机以及功率放大器等信号放大设备，这些设备需要外接天线、负载等设备才能正常工作。一般，在进行反射系数测试时，需要断开外接设备单独测试，这样，就无法准确捕捉功率源的工作状态。本方法采用通过式测量方式，能在功率源和负载(天线)间建立通路，通过调节调配器，使中大功率源输出端面形成同样的匹配效果，这样便于准确测量设备工作时的参数状态。
3)计算功率放大器在失配下的真实输出功率
功率放大器的技术指标中，额定输出功率是其最重要的技术指标之一，其反映功率放大器在阻抗完全匹配下的信号输出能力。而实际测量时，测试设备无法达到与功率放大器完全匹配状态，并且匹配程度不可知，这就无法准确测量功率放大器的额定输出功率，并且无法保证功率量值的准确统一。
在本发明的另一个实施例中公开了一种用于测量源端热态反射系数的测量装置，所述测量装置，执行上述实施例中所述测量方法的步骤，以实现测量源端热态反射系数
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种用于测量源端热态反射系数的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
S1、利用矢量网络分析仪对负载调配系统的阻抗进行定标；
S2、将所述负载调配系统接入功率源和负载之间；
S3、打开所述功率源中的信号源，调节所述负载调配系统，使所述负载调配系统与所述功率源中的功率放大器达到完全匹配状态，获取完全匹配状态下的所述负载调配系统中双定向耦合器输入端口的输入阻抗；
S4、基于阻抗匹配原理，计算源端热态反射系数。
2.根据权利要求1所述的用于测量源端热态反射系数的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中具体包括：
S11、对所述矢量网络分析仪进行预热后连接标准件，利用确定的校准频率对所述矢量网络分析仪的二端口进行校准；
S12、将校准后的矢量网络分析仪接入所述负载调配系统；
S13、测试所述负载调配系统的中大功率调配器的滑片在各个标定位置时相应的散射参数；
S14、利用最小二乘法对各个标定位置的散射参数进行修正；
S15、利用修正后的散射参数及标定位置的位置信息建立所述双定向耦合器输入端口的输入阻抗的数据库进行保存。
3.根据权利要求1所述的用于测量源端热态反射系数的测量方法，其特征在于，所述负载调配系统还包括中大功率调配器，将所述负载调配系统接入功率源和负载之间包括：将所述信号源、所述功率放大器、所述双定向耦合器、所述中大功率调配器和所述负载依次连接，
其中，所述矢量网络分析仪接入所述功率放大器输出侧的端面。
4.根据权利要求3所述的用于测量源端热态反射系数的测量方法，其特征在于，所述调节所述负载调配系统，使所述负载调配系统与所述功率源中的功率放大器达到完全匹配状态，获取完全匹配状态下的所述负载调配系统中双定向耦合器输入端口的输入阻抗进一步包括：调节所述中大功率调配器，当设置在所述双定向耦合器中的入射功率计功率度数达到最大值时，判断所述负载调配系统与所述功率放大器达到完全匹配状态，获取所述负载调配系统的滑片相应位置，并根据滑片相应位置确定双定向耦合器输入端口的输入阻抗。
5.根据权利要求1所述的用于测量源端热态反射系数的测量方法，其特征在于，所述基于阻抗匹配原理，计算源端热态反射系数进一步包括：基于阻抗匹配原理，建立源端热态反射系数与所述输入阻抗的关系式，根据所述关系式求得到源端热态反射系数。
6.根据权利要求5所述的用于测量源端热态反射系数的测量方法，其特征在于，所述关系式：
其中，ΓG为源端热态反射系数；Z0为特征阻抗，ZL *为输入阻抗ZL的共轭。
7.一种用于测量源端热态反射系数的测量装置，其特征在于，所述测量装置，执行权利要求1-6中任意一项所述测量方法的步骤，以实现测量源端热态反射系数。
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