微波功率的測量誤差分析

管華夏

摘要：伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快，頻譜資源已經(jīng)開始向射頻微波段不斷擴(kuò)展，而對于射頻微波系統(tǒng)而言，放大器的放大增益、振蕩源的輸出功率以及接收機(jī)的靈敏程度均需要對微波系統(tǒng)的實際功率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。因此本文針對于微波功率的測量誤差展開重點分析，并研究解決該類誤差的具體方法。

關(guān)鍵詞：微波功率;測量;誤差分析

一.引言

在所有表征微波信號的參數(shù)當(dāng)中，微波功率是最為核心的一個，它不僅能夠表明系統(tǒng)的能量傳輸情況，還能夠?qū)崿F(xiàn)對于微波系統(tǒng)的功能衡量。關(guān)于微波系統(tǒng)的設(shè)計與制造一直同微波功率密切相關(guān)，因此微波功率的測量非常關(guān)鍵。目前最為常用的測量工具為射頻微波功率計，在進(jìn)行射頻技術(shù)教學(xué)研究以及微波產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)調(diào)試等領(lǐng)域應(yīng)用均十分普遍，根據(jù)微波功率的測量結(jié)果便可以有針對性的解決相關(guān)技術(shù)問題。功率測量通常情況下與其應(yīng)用環(huán)境有較大關(guān)系，微波信號的頻率范圍、頻譜功率以及調(diào)制形式等因素均會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，尤其是微波信號的功率電平。只有認(rèn)真熟悉微波系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行功率測量的方法，了解其具體測量原理，并針對輸入信號的頻譜以及調(diào)制形式展開深入了解，才能夠最終在測量階段得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

二.微波功率測量標(biāo)準(zhǔn)

由于最近幾年微波相關(guān)理論在不斷完善，硬件技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，因此微波系統(tǒng)整體的設(shè)備類型與數(shù)量大幅度增加，在這樣的背景下，關(guān)于微波功率、頻率、品質(zhì)因數(shù)等諸多參數(shù)的測量設(shè)備開始逐漸建立，在制作、生產(chǎn)、調(diào)試流程當(dāng)中逐漸實現(xiàn)了儀器標(biāo)準(zhǔn)化。對于微波測量的諸多項目而言，微波功率的測量無疑占據(jù)著非常重要的位置，尤其是在微波線路以及微波管當(dāng)中。目前關(guān)于微波功率的測量，范圍可以達(dá)到10-710瓦，測量精度也獲得了大幅度提升，可以達(dá)到0.1%，除此之外，微波測量的功率頻譜可以達(dá)到100千兆赫。在實際進(jìn)行微波測量時，主要分為低頻和高頻兩種情況。處于低頻情況時，主要對電路當(dāng)中的電流以及電壓進(jìn)行測量，最終確定功率，而當(dāng)處于高頻情況時，主要的測量方法是將電路當(dāng)中的電磁能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到光、熱、力等能量形式再進(jìn)行功率測量。近年來關(guān)于微波功率測量的標(biāo)準(zhǔn)問題正在不斷深入，它與頻率測量標(biāo)準(zhǔn)有所不同，因而隨著研究的不斷推進(jìn)而更加精進(jìn)。最初的微波小功率標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種測定方法，分別是電磁輻射有質(zhì)效應(yīng)方法以及電磁波焦耳熱方法。這兩種方法對于微波功率的測定以直流電量作為依據(jù)，在實際測量時具有較高的精度，因此作為功率測量的標(biāo)準(zhǔn)具有有一定的科學(xué)性。而伴隨著研究的不斷深入，可以發(fā)現(xiàn)利用波導(dǎo)內(nèi)部反射元件上的電磁波作用進(jìn)行壓力測量而研制出的微波功率計，精度可以達(dá)到1%。因此目前在進(jìn)行微波功率測量時，使用最為廣泛的便是微波功率計。

三.微波功率測量中的常見誤差

3.1 微波測量的誤差來源

根據(jù)微波測量的工程理論以及實例經(jīng)驗，可以分析得出，在進(jìn)行功率測量的過程當(dāng)中，主要的誤差來源種類如下。分別為失配誤差，測量儀器固有誤差、被測系統(tǒng)不穩(wěn)定所造成的誤差、同軸接頭的誤差、環(huán)境誤差以及操作人員在測量過程中形成的誤差。在這六大類誤差當(dāng)中，前三種誤差是進(jìn)行微波功率測量時的主要誤差來源，而后三種誤差的對于測量結(jié)果的影響較小，通常情況下可以忽略不計。

3.2 誤差分析

由于系統(tǒng)失配造成的測量誤差是所有誤差當(dāng)中最復(fù)雜也是最核心的一種，因此對失配誤差進(jìn)行分析時難度較大。在實際進(jìn)行功率測量時，負(fù)載吸收的功率即為微波功率計的測量值指示值，但是由于被測系統(tǒng)以及功率探頭的反射系數(shù)均不為0，因此在測量過程中必定會形成失配誤差。無反射匹配狀態(tài)下得到的功率數(shù)值同實際進(jìn)行測量得到的功率數(shù)值誤差以及二者之間的相位誤差統(tǒng)稱為失配誤差，形成該誤差的最主要原因便是系統(tǒng)不匹配。

四.微波功率的誤差解決辦法

4.1 接入90°移相器消除失配誤差

在系統(tǒng)中接入90度移相器，取0度以及90度相位狀態(tài)下對應(yīng)的功率值，二者的平均值作為測量值便可以消除測量過程的失配誤差。

4.2 其他減小誤差的方法

通過上述理論闡述可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行微波功率測量時，失配誤差是非常典型并且普遍的測量誤差，但是若不及時進(jìn)行修正與調(diào)整，后期對于測量結(jié)果造成的影響還是較大的，因此在這里提出其他能夠減小測量誤差的方法，以提升最終測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（1）減小使用功率計的本身的誤差

這一方法需要在功率測量過程中由操作人員進(jìn)行人為調(diào)整，在功率測量系統(tǒng)中將功率計指示位置同標(biāo)準(zhǔn)功率計調(diào)節(jié)一致，然后再進(jìn)行功率測量，此時結(jié)果的準(zhǔn)確性會大幅度提高。

（2）根據(jù)被測源頻率選擇合適的校準(zhǔn)因子

在進(jìn)行微波系統(tǒng)功率測量時，需要針對不同的被測源頻率，選擇不同的校準(zhǔn)因子，對失配系統(tǒng)完成校正，以減小測量誤差。

五.結(jié)語

微波功率在進(jìn)行測量時，若想要直接得到非常精確的測量結(jié)果難度非常大，因此在測量之前必須對微波功率的基本屬性以及測量過程可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行充分的理解與掌握，而后才能夠在測量時采取一定的處理措施，規(guī)避掉可能產(chǎn)生誤差的技術(shù)點，進(jìn)而得到較為理想的測量結(jié)果。若在測量過程中系統(tǒng)出現(xiàn)了接觸不良的情況，則功率能量的耗費(fèi)情況會非常巨大，嚴(yán)重的話還會造成被測微波源燒毀的情況，因此在進(jìn)行較大微波功率測量時需要特別注意解決系統(tǒng)接觸不良的問題。由此可見，在進(jìn)行功率測量時必須充分考慮到影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的各個因素，并根據(jù)不同的實際需要完成測量方式的選擇，以便在系統(tǒng)連接之后得到誤差較小的測量結(jié)果。除此之外，若針對失配系統(tǒng)進(jìn)行微波測量，可以在系統(tǒng)中插入設(shè)置移相器，調(diào)節(jié)其相位，功率數(shù)值也會隨之變化，根據(jù)功率的最大值與最小值之差便可以得到系統(tǒng)的失配度，若測量結(jié)果不滿足精度要求，便可以按照此失配度進(jìn)行失配調(diào)整。

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