CN116256685A - 一种高频电刀分析仪校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高频电刀分析仪校准装置及其校准方法。本发明的目的在于克服现有校准装置和校准方法的缺点和不足，得到实现频率为50kHz～5MHz下的通过阻抗变换器实现不同阻抗(10Ω～5000Ω)下理论高频功率可达1000W以上，电流可达5A以上，能通过计算机实时调节输出功率的一种高频电力分析仪校准装置及基于该装置的高频电刀分析仪校准方法。本发明能实现对高频功率(1～500)W，频率30Hz～5MHz，电流5mA～5A，电阻(0～6400)Ω的高频电刀分析仪的校准，校准参数包括高频功率、高频电流、负载电阻、频带宽度、频率响应、峰值电压、有效值电压、峰峰值电压、峰值因数等。

Description

一种高频电刀分析仪校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及高频电刀分析仪的计量校准领域，具体涉及一种高频电刀分析仪校准装置及校准方法。

背景技术

高频电刀发生器广泛应用于医疗美容行业，是重要的医疗器械，国家计量校准规范JJF1217-2009高频电刀为高频电刀的量值溯源提供了技术依据。在该规范中规定了计量高频电刀发生器的标准器，其中最重要的标准器就是高频电刀分析仪。在规范中对高频电刀分析仪的计量特性进行了描述。

高频电刀分析仪是一种多参数测量仪器，主要的参数有高频电流(高频漏电流)、高频电压(峰值或者有效值)、高频功率、以及峰值因数。在JJF1217-2009高频电刀校准规范中规定的高频电刀功率检测装置的技术要求为：高频电流表(0.001～0.5)A，高频功率表(1～500)W，频率(0.3～5.0)MHz。电流的最大允许误差为：±2.5％，高频功率的最大允许误差为：≥50W,±5％，＜50W，±(5％×F+1)W，其中F为功率量程。无感电阻箱：(10～2000)Ω(步进不大于50Ω)，最大允许误差为±2.5％。规程中关于高频电刀功率检测装置的规定存在的主要问题有：首先对于功率、高频电流的规定中未明确具体的电阻值或者电阻范围，高频功率、高频电流和无感电阻是相互关联的，要想测量高频功率和高频电流必须设定电阻值，即高频功率和高频电流是在一定的负载电阻下测量得到。比如无感电阻为200Ω，如果达到500W，那么高频电流的范围要远大于0.5A。同理如果是10Ω无感电阻的情况下，达到500W，电流约为7.07A。其次，没有明确频率的具体意义，高频电流的实际工作中常用的范围大部分为(0.3～0.5)MHz，少数美容行业使用频率范围(1.0～4.0)MHz，很少使用到5MHz，而频带宽度是可以达到5MHz的。

很多计量技术机构和企事业单位在建立高频电刀校准装置时直接购买高频电刀分析仪作为计量主标准器。目前的高频电刀分析仪基本依赖进口，国产的电刀分析仪正处于初始发展阶段，较成熟的产品的国内市场占有率很低。其主要参数为高频电流(高频漏电流)、高频电压(峰值或者有效值)、高频功率、以及峰值因数和频带宽度(或者频率响应)。各个高频电刀分析仪生产厂商对于高频电流的频率问题始终未明确，在其使用说明书中通常只给出带宽范围。比如(30Hz～5MHz)，而带宽的定义为下降3dB，即在5MHz时的高频电流是不满足最大允许误差±2.5％。而且对于测量频带宽度的负载电阻也没有明确，无线电计量专业在计量带宽时的阻抗为50Ω，而高频电刀分析仪最常使用的电阻为100Ω、200Ω、300Ω、500Ω、800Ω等。

目前国内的高频电刀校准装置的技术指标不能完全满足高频电刀分析仪的校准要求，且稳定性和可靠性有待提高。主要的缺点在于不能覆盖频率范围，仅测量(300～500)kHz及1MHz下的高频电流和高频功率，功率最大为400W，没有提供足够的裕量，而且对应的负载电阻的范围仅仅为(200～500)Ω。无法计量峰值因数、负载电阻、频带宽度(频率响应)等参数，无法满足主流高频电刀分析仪的溯源要求以及客户要求校准的频率范围和功率范围(《高频电刀分析仪校准方法研究》，作者：陈广飞，周丹，解放军总医院医学保障部；TD7200(高频电刀分析仪校准装置)-长沙天恒测控技术有限公司)。故急需建立一套行之有效的溯源体系和校准装置或校准系统，解决高频电流、高频功率、峰值电压(有效值电压)、峰值因数等参数的溯源问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有校准装置和校准方法的缺点和不足，发明了能实现频率为50kHz～5MHz下的通过阻抗变换器实现不同阻抗(10Ω～5000Ω)下理论高频功率可达1000W以上，电流可达5A以上，能通过计算机实时调节输出功率的一种高频电力分析仪校准装置及基于该装置的高频电刀分析仪校准方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种高频电刀分析仪校准装置，包括功率发生部分和参数测量部分；

功率发生部分包括信号发生器/微波信号源、功率放大器、定向耦合器、双通道功率计和阻抗变换器；

参数测量部分包括电流传感器、数字示波器、高压差分探头和数字多用表；

信号发生器/微波信号源的信号输出端与功率放大器的输入端口连接，用于为功率放大器提供输入信号；功率放大器的输出端口连接定向耦合器的输入端口；

定向耦合器的输出端口连接阻抗变换器的输入端口，定向耦合器的反射功率端口和前向功率端口通过功率探头连接至双通道功率计；

阻抗变换器的正极输出端经过电流传感器后连接至被校准的高频电刀分析仪的正极输入端，阻抗变换器的负极输出端连接至被校准的高频电刀分析仪的负极输入端；

电流传感器的频带宽度可达200MHz，上升时间1.75ns,有效值电流测量范围可达20A。电流传感器的输出端口连接数字示波器的第一输入通道CH1，用于测量高频漏电流和高频功率下的高频电流；

高压差分探头的电压峰峰值测量范围可达10kV，直流电压衰减比为100:1或1000:1，高压差分探头的正极输入端和负极输入端分别连接被校准的高频电刀分析仪的正极输入端和负极输入端，高压差分探头的输出端口连接数字示波器的第二输入通道CH2，用于使用数字示波器的峰峰值和有效值测量负载电阻两端的高频电压信号。

数字多用表的两个电阻测量输入端通过4mm香蕉头测试线与被测的高频电刀分析仪的负载电阻正极端和负极端相连接，用于测量高频电刀分析仪的负载电阻值。

进一步地，采用计算机通过GPIB-USB数据线连接信号发生器/微波信号源、功率放大器和双通道功率计，进行功率输出控制；

信号发生器/微波信号源的输出端为N型接口，通过N型同轴线缆连接至功率放大器，输出为正弦信号，谐波含量低，无直流分量；

信号发生器/微波信号源的信号频率覆盖9kHz～6GHz，覆盖高频电刀分析仪的频率使用范围，高频电刀分析仪的带宽(-3dB)范围通常为30Hz～5MHz，使用范围为100kHz～1MHz；信号发生器/微波信号源的输出电平可以调节，输出电平范围为：-100dBm～+20dBm。

进一步地，阻抗变换器的输入阻抗为50Ω，用于阻抗变换与被校准的高频电刀分析仪的负载电阻进行匹配，变换后的输出阻抗为50欧姆阻抗的整数倍，与被校准的高频电刀分析仪负载电阻匹配；

阻抗变换器的频率范围为50kHz～5MHz，功率0.6kW，输入端口的接功率放大器的输出，其阻抗为50Ω，通过变换器后的阻抗为50Ω，100Ω，200Ω，300Ω、500Ω、800Ω、1250Ω，1800Ω、2450Ω、3200Ω、4050Ω、5000Ω、6050Ω等(即变换后的阻抗为50欧姆阻抗的整数倍)。阻抗变换器的输出端经过电流传感器后连接至被测高频电刀分析仪。

进一步地，电流传感器为通过式电流环，输出端口为BNC母头，可以通过4mm香蕉头的线缆，通过BNC同轴线缆连接至数字示波器的输入通道。

进一步地，功率放大器的功率输出通过定向耦合器和双通道功率计对输出功率进行实时监控，定向耦合器的前向功率端口连接双通道功率计的第一功率探头A，反射功率端口连接双通道功率计的第二功率探头B；

功率放大器的频率范围至少覆盖高频电刀分析仪的使用频率范围，用于产生高频功率信号，功率输出可达0.6kW，放大增益60dB。

进一步地，采用函数/任意波发生器和电压放大器进行高频信号放大；

函数/任意波发生器的输出连接电压放大器的输入端，电压放大器的输出端同时连接高压差分探头的正极输入端和负极输入端，和高频电刀分析仪的负载电阻正极端和负极端，调节函数/任意波发生器的二次和三次谐波含量，使用高压差分探头和数字示波器测量其峰峰值与有效值之比获得峰值因数标准值。

函数/任意波发生器的频率范围为1μHz～120MHz，输出电压峰峰值可达10V，其输出端口连接高频电刀分析仪的50Ω可变负载电阻。

电压放大器的电压输入为10V峰峰值，输出电压为800V峰峰值。

进一步地，函数/任意波发生器的输出通过高性能的BNC开叉线与被校准高频电刀分析仪的负载电阻两端连接，负载电阻设定为50Ω。

一种高频电刀分析仪的校准方法，采用一种高频电刀分析仪校准装置，包括以下参数的校准：

S1、高频电流的校准：功率放大器提供高频功率输出，通过阻抗变换器与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源的输出电平，高频电刀分析仪的电流测量值为电流指示值，通过电流传感器后数字示波器上的电流测量有效值为电流标准值；

S2、高频功率的校准：功率放大器提供高频功率输出，通过阻抗变换器与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源的输出电平，高频电刀分析仪的功率测量值为功率指示值，通过电流传感器后数字示波器上的电流测量有效值获得电流标准值，通过数字多用表的电阻测量功能测得直流电阻标准值，计算获得功率标准值；

S3、高频电压的校准：功率放大器提供高频功率输出，通过阻抗变换器与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源的输出电平，高频电刀分析仪的峰峰值电压测量值为高频电压指示值，通过高压差分探头后数字示波器上的峰峰值电压为标准值；

S4、峰值因数的校准：函数/任意波发生器的输出连接电压放大器的输入，电压放大器的输出连接被校准的高频电刀分析仪的可变电阻两端，调节函数/任意波发生器的输出电平并叠加设定含量的二次谐波和三次谐波并调节电压放大器的放大增益，通过高压差分探头后在数字示波器上测量峰峰值和有效值，两者相除作为峰值因数标准值，高频电刀分析仪上的峰值因数测量值为指示值；

S5、频率响应的校准：功率放大器提供高频功率输出，通过阻抗变换器与高频电刀分析仪的负载阻抗相匹配，设定信号发生器/微波信号源的输出频率为500kHz,调节其输出电平使高频电刀分析仪的功率为100瓦，并以此时的电流测量值为参考值，改变输出信号频率，并记录该频率下的电流值和功率值，通过计算其频率响应；

S6、频带宽度的校准：设定函数/任意波发生器的输出信号频率和输出阻抗，设定高频电刀分析仪的可变电阻，测量模式为高频电流测量模式，记录此时的高频电流值作为参考值，增大或者减小函数/任意波发生器的输出频率，直到高频电刀分析仪的高频电流值指示为参考值的0.707倍，记录此时的函数/任意波发生器的输出频率，计算高频电刀分析仪的频带宽度。

S7、高频漏电流校准：功率放大器提供高频功率输出，通过阻抗变换器与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源的输出电平，设定高频电刀分析仪为高频漏电流测量模式，负载电阻200Ω，并设定高频漏电流的限值。高频电刀分析仪的漏电流测量值为漏电流指示值，通过电流传感器后数字示波器上测得的电流有效值为漏电流实际值；

S8、负载电阻校准：使用6位半或更高准确度的数字多用表，设置数字多用表为二线电阻测量功能；被校准的高频电刀分析仪设置为功率测量模式，在电阻的量程范围内设定需要校准的电阻值，点击开始测量按钮启动测量，读取数字多用表上的读数作为负载电阻的实际值。为提高负载电阻的测量的准确度，需要消除测试线的电阻。

进一步地，步骤S2中，通过公式(1)或公式(2)得到高频功率标准值，公式(1)为：

P_M＝I_RMS×U_RMS (1)

其中，P_M为高频功率实际值，单位为W；I_RMS为高频电流实测值，单位为A；U_RMS为高频电压实测值，单位为V；

公式(2)为：

P_M＝I_RMS×I_RMS ×R (2)

其中，P_M为高频功率实际值，单位为W；I_RMS为高频电流实测值，单位为A；R为直流电阻实测值，单位为Ω。

本发明相对于现有技术，至少具有如下有益效果：

(1)本发明提出使用微波信号发生器和功率放大器作为校准时的功率标准源。微波信号源提供的频率范围广，可提供9kHz～6GHz的频率范围，功率电平输出可以从-100dBm～+23dBm,频率准确度可达1×10^-7以上，频率稳定度好，谐波失真小，不会产生直流信号或者信号泄露，完全覆盖被校准的高频电刀分析仪的频率和带宽范围，可以连续调节，扩展性好；功率放大器的放大功率至少为500W，可以与微波信号源实现接口的无缝连接，功率放大器具有输入高电平保护功能，当信号超过功率放大器的输入的最大电平时启动保护功能，停止输出，更好的保护被校准的高频电刀分析仪，防止被校准的高频电刀分析仪因为功率过大而损坏。

(2)本发明提出使用阻抗变换器进行非平衡和平衡转换，可以实现与被校准的高频电刀分析仪的负载电阻完全匹配。阻抗变换器使用的是变压器原理，通过变压器的匝数比实现阻抗的变换。因为功率放大器的输出阻抗为50Ω，通过变压器的匝数比可以实现想要的负载阻抗变换。比如要实现与200Ω的负载电阻的完全匹配，只要使变压器的匝数比为1:2，在平衡端和非平衡端功率相等的情况下，阻抗比为1:4(匝数比的平方之比)，在非平衡端接50Ω时，则在平衡端为50×4＝200Ω，此时设定高频电刀分析仪的负载电阻为200Ω即可实现阻抗匹配。这样就可以克服常规的功率标准源在9kHz～10MHz以及更高频率范围内输出阻抗的匹配问题以及阻抗的匹配范围过窄的问题，即不能覆盖整个的高频电刀分析仪的负载电阻的量程。

(3)本发明采用电流传感器加示波器对高频电流进行测量。使用的高频电流传感器，电流传感器带宽为100Hz～200MHz，有效值电流测量范围可达20A，其电流测量的最大允许误差为±0.5％，数字示波器的带宽为500MHz，采样率为2.5Gsa/s。通过电流传感器与数字示波器的输入通道连接对高频的电流信号进行测量，既可以观察记录高频电流波形失真情况，又可以对电流的有效值进行测量，尤其是使用高分辨力测量模式，使数字示波器的动态有效位数达到最优，可以提高电流的测量准确度。

(4)本发明提供了两种高频功率的校准方法，使用电流传感器和数字示波器对高频电流进行测量，使用数字多用表对负载电阻进行测量，即为直流状态下的电阻，功率即为有效值电流的平方乘以电阻；还可以使用高频电压探头测量负载电阻两端的交流电压有效值，使用有效值电流乘以有效值电压即可得到高频功率。

(5)本发明提供了高频电刀分析仪峰峰值电压校准方法，使用数字示波器和高压差分探头对峰峰值电压进行测量。负载电阻的两端连接高压差分探头的输入端，高压差分探头的输出端接数字示波器的输入通道，设定好探头的倍率，调整数字示波器的水平时基和垂直偏转系数，捕捉到电压波形占屏幕的80％，使用数字示波器的峰值测量功能或者光标测量功能测量负载电阻两端的电压峰峰值。

(6)本发明提供了高频电刀分析仪有效值电压校准方法，使用数字示波器和高压差分探头对有效值电压进行测量。负载电阻的两端连接高压差分探头的输入端，高压差分探头的输出端接数字示波器的输入通道，设定探头的倍率，调整数字示波器的水平时基和垂直偏转系数，捕捉到电压波形占屏幕的80％，使用数字示波器的有效值测量功能测量负载电阻两端的电压有效值。

(7)本发明提供了高频电刀分析仪峰值因数的校准方法。使用函数发生器和电压放大器进行校准，函数发生器设定为幅度调制，叠加一定含量的3次和5次谐波，使波形发生畸变，产生具有一定峰值因数的高频电压波形。负载电阻的两端连接高压差分探头的输入端，高压差分探头的输出端接数字示波器的输入通道，设定探头的倍率，调整数字示波器的水平时基和垂直偏转系数，捕捉到电压波形占屏幕的80％，使用数字示波器的有效值测量功能和峰峰值测量功能分别测量负载电阻两端的电压有效值和峰值，将测量得到的峰值除以有效值，即可获得峰值因数实测值，与高频电刀分析仪上的峰值因数指示值进行比较，获得峰值因数的示值误差。

(8)本发明提供了高频电刀分析仪频带宽度的校准方法。函数/任意波发生器(10)的输出电压为5V或者10V峰峰值，输出频率为500kHz，输出阻抗为50Ω，设定高频电刀分析仪的可变电阻为50Ω，测量模式为高频功率测量模式，记录此时的高频电流值作为参考值，增大或者减小函数/任意波发生器的输出频率，直到高频电刀分析仪的高频电流值指示为参考值的0.707倍，分别记录此时的函数/任意波发生器的输出频率的最大值和最小值，其频带宽度即为最大值减去最小值。

(9)本发明提供了高频电刀分析仪频率响应的校准方法。通过软件控制或者手动调节信号发生器/微波信号源的频率和输出电平,设定功率计的功率测量的频率和功率补偿(offset，定向耦合器的增益校准值)。对数字示波器的输入通道CH1设定为电流探头，设定探头倍率；根据信号的频率设定数字示波器的水平时基至合适位置。

设定高频电刀分析仪为功率测量模式，负载电阻200Ω或者50Ω。设定微波信号源的输出频率为500kHz，调节输出电平使功率计的功率输出100瓦，记录该频率下高频电刀分析仪的功率值和电流值作为参考值，改变信号输出频率和输出电平，使双通道功率计的功率指示仍为100瓦，记录此时高频电刀分析仪的功率指示值和电流指示值，继续改变信号源输出频率至频带宽度标称值，调节输出电平，使功率计的功率指示仍为100瓦，并记录在该频率下的功率指示值和电流指示值。通过公式计算高频电刀分析仪的频率响应。

附图说明

图1为本发明实施例提供的校准装置组成示意图。

图2为本发明实施例中高频功率、高频电流，高频电压校准连接示意图。

图3为本发明实施例中峰值因数校准连接示意图。

图4为本发明实施例中频率响应的校准连接示意图。

图5为本发明实施例中函数/任意波发生器的输出通过高性能的BNC开叉线与被校准高频电刀分析仪的负载电阻的连接示意图。

图6为本发明实施例中负载电阻的校准连接示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供的一种高频电刀分析仪校准装置，主要由功率发生部分和参数测量部分组成。具体包括信号发生器/微波信号源1、功率放大器2、双通道功率计3、定向耦合器4、阻抗变换器5、电流传感器6、数字示波器7、高压差分探头8、数字多用表9、函数/任意波发生器10、电压放大器11和用于输出功率控制的计算机12。

功率发生部分包含信号发生器/微波信号源1、功率放大器2、定向耦合器4、双通道功率计3、阻抗变换器5。

信号发生器/微波信号源1，其频率覆盖9kHz～6GHz，覆盖高频电刀分析仪的频率使用范围，高频电刀分析仪的带宽(-3dB)范围通常为30Hz～5MHz,使用范围为(100kHz～1MHz)。信号发生器/微波信号源1的输出电平可以调节，输出电平范围为：-100dBm～+20dBm。其信号输出端与功率放大器2输入端口连接，用于为功率放大器2提供输入信号。

功率放大器2的频率范围至少覆盖高频电刀分析仪的使用频率范围，用于产生高频功率信号，其输出端口连接定向耦合器4。

定向耦合器4的频率范围至少覆盖高频电刀分析仪的使用频率范围，功率输出可达0.6kW，耦合系数为50dB，其输出端口连接阻抗变换器5。其反射功率端口和前向功率端口通过功率探头连接至双通道功率计3。如果使用单通道功率计，则定向耦合器的反射端口接50Ω终端负载，用于监控高频功率的输出提供桥梁。

阻抗变换器5的频率范围为50kHz～5MHz，功率600W，输入端口的接功率放大器2的输出，其阻抗为50Ω，用于阻抗变换与被测高频电刀分析仪的阻抗负载进行匹配，变换后的阻抗为50欧姆阻抗的整数倍。阻抗变换器5的输出端经过电流传感器6后连接至被测高频电刀分析仪。

控制计算机12通过GPIB-USB数据线连接信号发生器/微波信号源1、功率放大器2和双通道功率计3。通过软件进行功率输出控制。

参数测量部分包括的计量标准器有电流传感器6、数字示波器7、高压差分探头8、数字多用表9。

电流传感器6的频带宽度可达200MHz，上升时间1.75ns,有效值电流测量范围可达20A。电流传感器6的输出端口连接数字示波器7的输入通道，用于测量高频漏电流和高频功率下的高频电流。

高压差分探头8的电压峰峰值测量范围可达14kV，直流电压衰减比为100:1和1000:1，高压差分探头8的输入端连接高频电刀分析仪的负载两端，其输出端口连接数字示波器7的输入端口，用于测量负载两端的高频电压信号。

数字多用表9的两个电阻测量输入端通过4mm香蕉头测试线与高频电刀分析仪的负载相连接，用于测量高频电刀分析仪的负载电阻值。

函数/任意波发生器10输出的频率范围为1μHz～120MHz，电压峰峰值可达10V，其输出端口连接高频电刀分析仪的50Ω可变电阻。

如图5所示，函数/任意波发生器10的输出通过高性能的BNC开叉线与被校准高频电刀分析仪的负载电阻两端连接，负载电阻设定为50Ω。

电压放大器11的电压输入为10V峰峰值，输出电压为800V峰峰值，电压放大器11的输入端与函数/任意波发生器10的输出端连接，电压放大器11的输出端与高频电刀负载电阻连接，用于高频信号放大。

在本发明其中一个实施例中，信号发生器/微波信号源1的型号为SMB100A,频率范围为9kHz～6GHz,输出信号电平-100dBm～+20dBm。

在本发明其中一个实施例中，功率放大器2的型号为BBA150-400，频率9kHz～400MHz,功率为600瓦，输入和输出接口为N型。

在本发明其中一个实施例中，双通道功率计3的型号为NRP2，功率探头的型号为NRP18A，频率范围9kHz～18GHz,功率测量动态范围为-70dBm

+23dbm。

在本发明其中一个实施例中，定向耦合器4的型号为DC3401A，频率范围为DC～400MHz,耦合系数50dB，功率500瓦。

在本发明其中一个实施例中，阻抗变换器5的型号为1:4200Ω和1:6300Ω，功率为600瓦，频率范围为50kHz～5MHz,电压驻波比＜1.5。

在本发明其中一个实施例中，电流传感器6的型号为6595，频率范围100Hz～150MHz,最大有效值电流为20A，电流电压转换比为0.5V/A。

在本发明其中一个实施例中，数字示波器7的型号为MDO32，频带宽度为500MHz，上升时间0.7ns,垂直偏置系数1mV/div～10V/div(1MΩ),水平时基1ns/div～10s/div。

在本发明其中一个实施例中，高压差分探头8的型号为N1140A,峰值电压测量范围±7kV,直流电压最大允许误差为：±1％。

在本发明其中一个实施例中，数字多用表9的型号为34465A，直流电压测量范围±1kV，交流电压测量范围：±700V，电阻测量范围为1GΩ。

在本发明其中一个实施例中，函数/任意波发生器10的型号为33622A，频率范围：1μHz～120MHz，输出电压峰峰值可达10V。

在本发明其中一个实施例中，电压放大器11的型号为HA-805,频率范围DC～300kHz，输入电压±10V峰峰值，输出电压范围±400V峰峰值。

本发明实施例通过信号发生器/微波信号源1输出正弦波信号，信号频率范围至少为9kHz～10MHz,输出信号电平范围至少为(-70dBm～0dBm)，信号发生器/微波信号源1的输出连接功率放大器2的输入端口，功率放大器2的频率范围至少为9kHz～10MHz，固定功率放大器2的放大增益，调节信号发生器/微波信号源1的输出频率和输出电平可以使功率放大器2输出1mW～600W的高频功率，调节信号发生器/微波信号源1的输出电平时不能超过功率放大器的最大输出电平，否则功率放大器2将保护停止功率输出。功率放大器2的输出端口接定向耦合器4的输入端口，定向耦合器4的前向接口和反向接口连接双通道功率计3的功率探头，双通道功率计3实时监控前向输出功率和反射功率的大小。定向耦合器4的输出端口连接阻抗变换器5的输入端口，阻抗变换器5可选择不同的转换比例以匹配被校准的高频电刀分析仪的负载电阻，阻抗变换器5的功率为600W，端口的电压驻波比＜1.5，频率范围至少为100kHz～10MHz,阻抗变换器5的输出端口为香蕉头，通过电流传感器6后与被校准的高频电刀分析仪输入端口相连。电流传感器6的输出接数字示波器7的输入通道1用于测量高频电流，在被校准的高频电刀分析仪的负载电阻两端连接高压差分探头8的输入，高压差分探头8的输出接数字示波器7的输入通道2用于测量高频电压、峰值电压、峰峰值电压以及峰值因数。如图3所示，函数/任意波发生器10的输出连接电压放大器11的输入，电压放大器11的输出端口连接到被校准的高频电刀分析仪，通过调节函数/任意波发生器10的输出频率和输出电平并叠加不同含量的3次和5次谐波用于对峰值因数进行校准。数字多用表9的输入连接被校准的高频电刀分析仪的负载电阻两端，实现对负载电阻的校准。被校准装置可以实现对高频电刀分析仪的高频功率500瓦，高频电流5mA～5A，带宽30Hz～5MHz，电阻(0～6400)Ω的参数测量。

本发明还提供采用前述装置进行校准的高频电刀分析仪-高频功率、高频电流、额定负载电阻等参数的校准方法。

在本发明的其中一个实施例中，提供的高频电刀分析仪的高频功率、高频电流、额定负载电阻的校准方法，包括以下步骤：

步骤1：高频电流的校准连接示意图如图2所示，对各个标准器和被校准的高频电刀分析仪进行预热。通过软件控制或者手动调节信号发生器/微波信号源的频率和输出电平,设定双通道功率计的功率测量的频率和功率补偿(offset，定向耦合器的增益校准值)，使双通道功率计的功率测量值为设定的功率校准点(或者使被校准高频电刀分析仪的功率指示值为设定的校准点)。对数字示波器的输入通道CH1设定为电流探头，设定探头倍率；根据信号的频率设定数字示波器的水平时基至合适位置。设定高频电刀分析仪的负载电阻(如200电)点击被校准高频电刀分析仪面板触摸屏上的开始按钮进行高频功率测量，使用数字示波器的电流有效值测量功能测量高频电流I_RMS。

步骤2：高频功率的校准使用方法：校准连接示意图如图2所示，高频电流的测量按照步骤1执行。使用数字多用表的直流电阻测量功能对高频电刀分析仪的负载电阻进行测量，使用公式(2)计算高频功率实际值。

步骤3：负载电阻的校准连接如图6所示，对数字多用表和被校准的高频电刀分析仪进行预热。使用6位半或者更高的准确度的数字多用表，设置数字多用表的二线电阻测量功能；设置被校准的高频电刀分析仪为功率测量模式，在电阻的量程范围内设定需要校准的电阻值，点击开始测量按钮启动测量，读取数字多用表上的读数作为负载电阻的实际值。

在本发明的其中一个实施例中，如图4所示，通过软件控制或者手动调节信号发生器/微波信号源的频率和输出电平,设定功率计的功率测量的频率和功率补偿(offset，定向耦合器的增益校准值)。对数字示波器的输入通道CH1设定为电流探头，设定探头倍率；根据信号的频率设定数字示波器的水平时基至合适位置。

设定高频电刀分析仪为功率测量模式，负载电阻200Ω或者50Ω。设定微波信号源的输出频率为500kHz，调节输出电平使功率计的功率输出100瓦，记录该频率下高频电刀分析仪的功率值和电流值作为参考值，改变信号输出频率和输出电平，使双通道功率计的功率指示仍为100瓦，记录此时高频电刀分析仪的功率指示值和电流指示值，继续改变信号源输出频率至频带宽度标称值，调节输出电平，使功率计的功率指示仍为100瓦，并记录在该频率下的功率指示值和电流指示值。通过公式计算高频电刀分析仪的频率响应。

在本发明的其中一个实施例中，如图5所示，

本发明其中一个实施例中，对FLUKE生产的高频电刀分析仪，型号规格为QA-ESIII，出厂编号为5544022的高频电流、高频功率、高频电阻的校准数据见表1；

本发明其中一个实施例中，对DATREND生产的高频电刀分析仪，型号规格为vPad-RF，出厂编号为VEF17100101的高频电流、高频功率、高频电阻的校准数据见表2；

本发明其中一个实施例中，对四川中测辐射科技有限公司生产的高频电刀分析仪，型号规格为NT7800，出厂编号为7190154的高频电流、高频功率、高频电阻的校准数据见表3；

从表1、表2、表3可知，通过本发明所提供的高频电刀分析仪校准装置对高频电流、高频功率、负载电阻进行校准时，本发明所测得的测量值与仪器指示值相比，两者测量数据非常接近，测量误差远小于允许误差，说明了本发明的有效性。

表1高频电刀分析仪QA-ESIII校准数据

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表2高频电刀分析仪vPad-RF校准数据

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表3高频电刀分析仪NT7800校准数据

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如上所述，本发明提出基于阻抗变换器的高频电刀分析仪准装置对高频电刀分析仪进行校准(量值传递)。本发明创新地提出使用阻抗变换器的方法。解决了被校准的高频电刀分析仪的负载阻抗的匹配问题，同时使用功率放大器提供高频功率输出，使用高频电流传感器进行高频电流测量，使用数字多用表的电阻测量功能对负载电阻进行校准，实现对高频电流和高频功率和负载电阻的量值溯源，稳定性高，重复性好，测量不确定度满足量值溯源要求。

本发明实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，包括功率发生部分和参数测量部分；

功率发生部分包括信号发生器/微波信号源(1)、功率放大器(2)、定向耦合器(4)、双通道功率计(3)和阻抗变换器(5)；

参数测量部分包括电流传感器(6)、数字示波器(7)、高压差分探头(8)和数字多用表(9)；

信号发生器/微波信号源(1)的信号输出端与功率放大器(2)的输入端口连接，用于为功率放大器(2)提供输入信号；功率放大器(2)的输出端口连接定向耦合器(4)的输入端口；

定向耦合器(4)的输出端口连接阻抗变换器(5)的输入端口，定向耦合器(4)的反射功率端口和前向功率端口通过功率探头连接至双通道功率计(3)；

阻抗变换器(5)的正极输出端经过电流传感器(6)后连接至被校准的高频电刀分析仪的正极输入端，阻抗变换器(5)的负极输出端连接至被校准的高频电刀分析仪的负极输入端；

电流传感器(6)的输出端口连接数字示波器(7)的第一输入通道CH1，用于测量高频漏电流和高频功率下的高频电流；

高压差分探头(8)的正极输入端和负极输入端分别连接被校准的高频电刀分析仪的正极输入端和负极输入端，高压差分探头(8)的输出端口连接数字示波器(7)的第二输入通道CH2，用于使用数字示波器(7)的峰峰值和有效值测量负载电阻两端的高频电压信号。

数字多用表(9)的两个电阻测量输入端与被测的高频电刀分析仪的负载电阻正极端和负极端相连接，用于测量高频电刀分析仪的负载电阻值。

2.根据权利要求1所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，采用计算机(12)通过GPIB-USB数据线连接信号发生器/微波信号源(1)、功率放大器(2)和双通道功率计(3)，进行功率输出控制；

信号发生器/微波信号源(1)的输出端为N型接口，通过N型同轴线缆连接至功率放大器(2)，输出为正弦信号，谐波含量低，无直流分量。

3.根据权利要求1所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，阻抗变换器(5)的输入阻抗为50Ω，用于阻抗变换与被校准的高频电刀分析仪的负载电阻进行匹配，变换后的输出阻抗为50欧姆阻抗的整数倍，与被校准的高频电刀分析仪负载电阻匹配。

4.根据权利要求1所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，电流传感器(6)为通过式电流环，输出端口为BNC母头，可以通过4mm香蕉头的线缆，通过BNC同轴线缆连接至数字示波器(7)的输入通道。

5.根据权利要求1所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，功率放大器(2)的功率输出通过定向耦合器(4)和双通道功率计(3)对输出功率进行实时监控，定向耦合器(4)的前向功率端口连接双通道功率计(3)的第一功率探头A，反射功率端口连接双通道功率计(3)的第二功率探头B。

6.根据权利要求5所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，功率放大器(2)的频率范围至少覆盖高频电刀分析仪的使用频率范围，用于产生高频功率信号。

7.根据权利要求1所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，采用函数/任意波发生器(10)和电压放大器(11)进行高频信号放大；

函数/任意波发生器(10)的输出连接电压放大器(11)的输入端，电压放大器(11)的输出端同时连接高压差分探头(8)的正极输入端和负极输入端，和高频电刀分析仪的负载电阻正极端和负极端，调节函数/任意波发生器(10)的二次和三次谐波含量，使用高压差分探头(8)和数字示波器(7)测量其峰峰值与有效值之比获得峰值因数标准值。

8.根据权利要求1所述的一种高频电刀分析仪校准装置，其特征在于，函数/任意波发生器(10)的输出通过高性能的BNC开叉线与被校准高频电刀分析仪的负载电阻两端连接。

9.一种高频电刀分析仪的校准方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的一种高频电刀分析仪校准装置，所述方法包括以下参数的校准：

S1、高频电流的校准：功率放大器(2)提供高频功率输出，通过阻抗变换器(5)与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源(1)的输出电平，高频电刀分析仪的电流测量值为电流指示值，通过电流传感器(6)后数字示波器(7)上的电流测量有效值为电流标准值；

S2、高频功率的校准：功率放大器(2)提供高频功率输出，通过阻抗变换器(5)与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源(1)的输出电平，高频电刀分析仪的功率测量值为功率指示值，通过电流传感器(6)后数字示波器(7)上的电流测量有效值获得电流标准值，通过数字多用表(9)的电阻测量功能测得直流电阻标准值，计算获得功率标准值；

S3、高频电压的校准：功率放大器(2)提供高频功率输出，通过阻抗变换器(5)与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源(1)的输出电平，高频电刀分析仪的峰峰值电压测量值为高频电压指示值，通过高压差分探头(8)后数字示波器(7)上的峰峰值电压为标准值；

S4、峰值因数的校准：函数/任意波发生器(10)的输出连接电压放大器(11)的输入，电压放大器的输出连接被校准的高频电刀分析仪的可变电阻两端，调节函数/任意波发生器(10)的输出电平并叠加设定含量的二次谐波和三次谐波并调节电压放大器(11)的放大增益，通过高压差分探头(8)后在数字示波器(7)上测量峰峰值和有效值，两者相除作为峰值因数标准值，高频电刀分析仪上的峰值因数测量值为指示值；

S5、频率响应的校准：功率放大器(2)提供高频功率输出，通过阻抗变换器(5)与高频电刀分析仪的负载阻抗相匹配，设定信号发生器/微波信号源(1)的输出频率为500kHz,调节其输出电平使高频电刀分析仪的功率为100瓦，并以此时的电流测量值为参考值，改变输出信号频率，并记录该频率下的电流值和功率值，通过计算其频率响应；

S6、频带宽度的校准：设定函数/任意波发生器(10)的输出信号频率和输出阻抗，设定高频电刀分析仪的可变电阻，测量模式为高频电流测量模式，记录此时的高频电流值作为参考值，增大或者减小函数/任意波发生器(10)的输出频率，直到高频电刀分析仪的高频电流值指示为参考值的0.707倍，记录此时的函数/任意波发生器(10)的输出频率，计算高频电刀分析仪的频带宽度。

S7、高频漏电流校准：功率放大器(2)提供高频功率输出，通过阻抗变换器(5)与高频电刀分析仪的负载电阻相匹配，调节信号发生器/微波信号源(1)的输出电平，设定高频电刀分析仪为高频漏电流测量模式，负载电阻200Ω，并设定高频漏电流的限值。高频电刀分析仪的漏电流测量值为漏电流指示值，通过电流传感器(6)后数字示波器(7)上测得的电流有效值为漏电流实际值；

S8、负载电阻校准：使用6位半或更高准确度的数字多用表(9)，设置数字多用表(9)为二线电阻测量功能；被校准的高频电刀分析仪设置为功率测量模式，在电阻的量程范围内设定需要校准的电阻值，点击开始测量按钮启动测量，读取数字多用表(9)上的读数作为负载电阻的实际值。为提高负载电阻的测量的准确度，需要消除测试线的电阻。

10.根据权利要求9所述的一种高频电刀分析仪校准方法，其特征在于，步骤S2中，通过公式(1)或公式(2)得到高频功率标准值，公式(1)为：

P_M＝I_RMS×U_RMS (1)

其中，P_M为高频功率实际值，单位为W；I_RMS为高频电流实测值，单位为A；U_RMS为高频电压实测值，单位为V；

公式(2)为：

P_M＝I_RMS×I_RMS ×R (2)

其中，P_M为高频功率实际值，单位为W；I_RMS为高频电流实测值，单位为A；R为直流电阻实测值，单位为Ω。

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