TR组件测试系统功率参数校准技术

冯 亮 张露妍 / 江苏省计量科学研究院

0 引言

相控阵雷达的阵面由大量的微波元器件、天线单元和馈线系统组成。完成每一个辐射单元的信号发射和回波信号接收的功能模块就叫TR组件。TR组件的性能对雷达性能指标起着至关重要的作用。为了验证筛选TR组件，检测部门用各类仪表搭建了一套TR组件的测试系统。以往对测试系统的校准都是通过对组成系统的单台仪器分别计量和系统的功能检查来完成的，但并不能验证脉冲峰值功率状态下的系统性能，因此需要在脉冲峰值功率下才能准确测试其性能参数，本文主要讨论功率参数测量方法。

1 测量用标准的选择

发射部分的参数均在脉冲大功率状态下测试，所以，在选择标准时不仅要考虑其性能是否稳定可靠，还要考虑其所能承受的平均功率和峰值功率。经过对各种被测TR组件内部结构的分析，发现发射端输出功率的测量标准应能承受最大500 W峰值功率或50 W平均功率。考虑承受功率和频率的覆盖范围至少到X波段，实验选用Weinschel公司的30 dB功率衰减器加R/S公司的宽频带功率计组成脉冲峰值功率标准。该功率衰减器能够承受350 W平均功率，可用本院的衰减标准装置对其衰减量进行定标后使用。经对该衰减器连续1 h加载100 W脉冲功率（占空比5%）进行考机试验，其衰减量无明显变化。宽频带功率计性能稳定、一致性较好，可以测试最大1 W的脉冲功率。

2 脉冲峰值功率下的定标方法

脉冲峰值功率标准由大功率衰减器和脉冲功率计组成，对其考核主要是对衰减器在连续波、脉冲以及脉冲大功率状态下衰减量的考核。

对衰减器在1.2 GHz、2.8 GHz、9 GHz和12 GHz四个频率点上用网络分析仪分别测试衰减量，再给衰减器输入100 W脉冲峰值功率（占空比5%）进行1 h的考机试验，衰减器的表面温度没有明显上升，衰减量也无明显变化。实验在恒温实验室进行，并用衰减器底座加装风扇的方法进行温度控制。根据TR组件测试时的设置，测试的占空比为1%～10%，实验时等效输出50 W连续波对衰减器进行1 h考机试验，记录衰减器表面温度的变化和衰减量的变化。将变化量引入标准装置的不确定度评定。

衰减器的试验中，先使用网络分析仪分别在连续波小功率和脉冲小功率状态下的衰减量各进行3次测试（见表1）。

由表1可以看出，衰减器在连续波和脉冲波状态下的衰减量变化很小，因此可以在连续波状态下对衰减器的衰减量进行定标，并且适用在脉冲状态。

对于衰减器在脉冲大功率状态下的量值，通过脉冲调制信号源和功率放大器对衰减器施加100 W（占空比5%）的脉冲功率，在1 h内监测衰减器的温度和衰减量的变化，衰减器在脉冲大功率状态下的实验方法见图1。

表1 衰减器在不同频率下测试

图1 衰减器脉冲大功率试验框图

在脉冲大功率试验中，耦合器的耦合度和插损通过网络分析仪进行测试并存入功率计的偏置，用脉冲调制信号发生器分别产生1.2 GHz、2.8 GHz、9 GHz和12 GHz的脉冲调制信号（占空比5%），信号通过功率放大器输出放大至约100 W脉冲功率，定向耦合器耦合端接功率计测试其峰值功率，并将耦合器的耦合度设置为偏置值存入功率计该通道。脉冲功率信号经耦合器的测试段接入被测衰减器，在衰减器输出端连接功率计测试经衰减后的峰值功率，两个功率计测试数据的差值，即为衰减器的衰减量值。在脉冲大功率状态下连续测试1 h，每20 min记录一次数据和衰减器表面温度。脉冲大功率衰减器实验数据见表2。

测试表明，衰减器在脉冲峰值大功率状态下衰减量变化很小，最大的衰减量变化为0.11 dB，约为1%，远小于脉冲峰值功率标准的扩展测量不确定度。因而验证在小功率状态下对衰减器进行定标来测试脉冲大功率是可行的，连续波小功率状态下测试的衰减量满足在脉冲大功率状态下使用要求。

同时在50 W连续波大功率下对衰减量也进行了实验（见表3）。在1 h内其衰减量变化最大为0.12，约为1%；远小于脉冲峰值功率标准的扩展测量不确定度。可以验证连续波小功率状态下测试的衰减量满足在脉冲大功率状态下的使用要求。

为确保功率计在进行峰值功率测量和平均值功率测量时的一致性，实验时设计一套试验方法进行比较。先将信号发生器设置到脉冲调制（T =1 ms，τ= 100 μs）状态，调节幅度使功率计在PEAK工作状态读数Ppk为1 mW,记下此时示波器上波形幅度A；然后将信号发生器设置成连续波输出状态，调节信号源幅度至示波器上波形幅度回到A处；最后将功率计设置成AVG工作状态，读出此时读数为Pavg，与Ppk值比较。结果证明，功率计在测量脉冲峰值功率和平均值功率时，测量结果一致，所以在连续波工作条件下量传的校准数据可以应用到脉冲峰值功率情况。

表2 衰减器在脉冲大功率下测试

表3 衰减器在连续波大功率下测试

3 脉冲峰值功率标准的不确定度分析

脉冲峰值功率标准由30 dB衰减器加功率计组成，影响其测量准确度的因素比较多，根据功率计的技术指标分析，由于零点偏置、零点转移以及功率计与探头的噪声引起的测量不确定度较小，不予考虑。其他各项不确定度分量分析如下：

1）功率计绝对功率测量不确定度u1

查功率计说明书，功率计绝对功率测量不确定度为

所以在L波段a1= 3.0%，取则

在S波段a1= 3.0%，取则

在X波段 a1= 4.0%，取则

2）衰减器在大功率状态下衰减量变化引入的不确定度u2

通过对衰减器在脉冲大功率和连续波大功率下的实验，分别给衰减器施加100 W峰值功率（占空比5%）和50 W连续波功率各1 h，观察衰减量的变化，衰减量最大变化0.12 dB；转换成相对值为1.03%。取

3）衰减器衰减量测量不准引入的测量不确定度u3

衰减标准装置测量不确定度为0.02 dB/10 dB,故测量30 dB时可能引入的最大误差为0.06 dB，用百分数表示为k3= 1.4%，取 k3= 2，则：

4）衰减器与功率探头失配引入的测量不确定度u4

用网络分析仪测量30 dB衰减器输出端口的电压驻波比为 1.27，

由功率计说明书得到，功率探头在不同频率上的电压驻波比：

0.05 ～2.4 GHz：驻波比 1 .16，| Γ2| = 0.074；

2.4 ～ 8.0 GHz： 驻波比 1 .20，| Γ2| = 0.09；

8.0 ～ 18.0 GHz：驻波比 1 .25，| Γ2| = 0.11。

因此，衰减器与功率计失配引入的测量不确定度在不同频段分别为

5）功率计校准引入的测量不确定度u5

查功率计说明书，功率计校准不确定度为

所以在L波段a5= 1.5%，取则

S波段a5= 1.6%，取则

X波段a5= 2.1%，取则

6）测量重复性引入的测量不确定度uA

用脉冲峰值功率标准对一稳定的脉冲调制信号进行重复测量，结果如下：

L 波段：99.7、99.6、99.4、99.4、99.5、99.5，单位W；

S 波段：99.3、99.2、99.2、99.2、99.3、99.2，单位W；

X 波段：99.0、98.9、99.1、99.0、99.0、99.1，单位W；

所以，脉冲峰值功率标准的合成不确定度uC为

脉冲峰值功率标准的扩展不确定度U为（取k= 2）

4 结语

本文简要介绍了脉冲峰值功率下功率参数测量的标准选择和定标方法，通过衰减量的测量和考机实验验证了连续波小功率状态下测试的衰减量能够满足在脉冲大功率状态下的使用要求。提出了峰值功率测量和平均值功率测量时的一致性的验证方法，给出了测量参考数据，并详细分析实验中选用的脉冲峰值功率标准的测量不确定度。解决工作状态下微波器件校准的难题，为工程专用微波器件的功率参数校准方法提供了借鉴。

[1]国防科工委科技与质量司. 无线电电子学计量[M]. 北京：原子能出版社，2002.

[2]余振坤，郑新. 一种微波脉冲大功率器件的幅相测试方法[J]. 现代雷达，2002（3）：60-62.