高功率微波辐射场功率密度测量不确定度分析方法

刘英君 晏峰 景洪 熊正锋 郝文析 杨猛

(西北核技术研究所,西安 710024)

高功率微波辐射场功率密度测量不确定度分析方法

刘英君 晏峰 景洪 熊正锋 郝文析 杨猛

(西北核技术研究所,西安 710024)

辐射场测量是检验高功率微波系统输出指标的重要手段. 随着高功率微波测量技术的发展,辐射场测量系统的稳定性和可靠性不断提高,作为完整测量结果重要组成部分的测量不确定度越来越受到关注.文章介绍了高功率微波辐射场功率密度测量方法及系统组成,建立了功率密度测量的数学模型,给出了高功率微波辐射场功率密度测量的主要不确定度来源.对检波器输入功率计算、接收天线有效面积校准、衰减环节校准及测量系统各环节连接失配等测量不确定度分量进行了分析,并给出了高功率微波辐射场功率密度测量不确定度的合成方法. 本文给出的测量不确定度分析方法较为科学、操作性强,对完善高功率微波辐射场功率密度测量结果具有一定的指导意义.

高功率微波;辐射场功率密度;测量系统;测量不确定度;合成不确定度

引 言

高功率微波(High Power Microwave, HPM)通常是指频率范围300 MHz至300 GHz、峰值功率大于100 MW或平均功率大于1 MW的强电磁波[1]. 辐射场测量是检验HPM系统输出指标的重要手段. 近年来,随着HPM测量技术的发展,困扰HPM辐射场测量多年的测量系统自身稳定性、可靠性及测量环境影响抑制等问题被逐步解决,作为完整测量结果重要组成部分的测量不确定度越来越受到关注.

HPM具有峰值功率高、脉冲时间短及测量环境复杂等特点,对辐射场测量系统的功率容量、响应时间及抗干扰能力都提出了较高的要求,常规微波辐射场测量系统无法直接用于HPM辐射场测量[2]. 由于HPM辐射场参数测量的技术复杂性,且国内尚未建立针对HPM的超高峰值功率和超短时间脉冲等极值量的传递和溯源标准[3-4],所以准确评定HPM辐射场测量不确定度是一项技术难度很大的工作. 目前国内尚未系统地开展过针对HPM辐射场参数测量不确定度的分析工作,文献[5-9]中仅对辐射场测量系统接收天线增益、检波器灵敏度的校准不确定度进行了分析.本文基于《测量不确定表示导则》(Guide to the Uncertainty in Measurement, GUM)规定的方法[10],建立了HPM辐射场功率密度测量的数学模型,分析了测量不确定度的主要来源,给出了主要测量不确定度分量的评定方法及HPM辐射场功率密度测量不确定度的合成方法.

1 测量方法及数学模型

HPM辐射场功率密度测量系统通常由接收天线、定向耦合器、微波电缆及位于电磁屏蔽箱中的衰减器、检波器、示波器等环节组成,如图1所示. 其中,定向耦合器、微波电缆及衰减器共同构成了测量系统的衰减环节.

图1 HPM辐射场功率密度测量系统组成示意图

将测量系统置于HPM辐射场中,使接收天线瞄准HPM系统辐射天线且极化方向与来波极化方向一致. 天线接收到的微波功率经衰减环节衰减至检波器可承受范围内,使用示波器记录脉冲包络波形. 为避免强电磁脉冲环境测量可能造成的干扰,将检波器和示波器置于电磁屏蔽箱内并良好接地. 地面反射、测量系统支撑散射等测量环境影响是HPM辐射场功率密度测量必须要考虑的因素,通常采用铺设吸波材料或架高测量系统等方法将测量环境影响程度抑制在一定范围内[11].

检波器的灵敏度事先进行过标定[9],将示波器测量的脉冲电压幅值带入检波器输入功率-输出电压拟合函数中,可以得到检波器输入功率Pde. 设辐射场测量系统衰减环节的总衰减量为A(单位为dB),则接收天线口面处的HPM辐射场功率密度可由公式(1)计算给出:

(1)

式中:PR为接收功率,W;Ae为接收天线的有效面积,m2. 当衰减环节由定向耦合器、微波电缆、同轴衰减器等器件组成时,辐射场测量系统的总衰减量可表示为

A=Aco+Aca+Aat．

(2)

式中:Aco为定向耦合器的耦合度;Aca为微波电缆的损耗;Aat为同轴衰减器的衰减量. 这些参数通常都是使用矢量网络分析仪进行传输参数测量获得.

2 主要不确定度来源与分析

根据HPM辐射场功率密度测量方法和公式(1)给出的数学模型,HPM辐射场功率密度测量不确定度的主要来源有:

1) 接收天线瞄准偏差;

2) 接收天线极化失配;

3) 接收天线有效面积校准;

4) 检波器输入功率计算;

5) 衰减环节的衰减量校准;

6) 测量系统各环节连接失配;

7) 测量环境影响.

2.1接收天线瞄准偏差引入的不确定度

理论上,在进行HPM辐射场功率密度测量时接收天线主轴应指向HPM系统辐射天线的相位中心[12]. 实际上,由于测量条件控制不严格或辐射天线相位中心难以精确定位,导致接收天线的实际指向与理论指向会存在一定的偏差. 设指向偏差角度范围为±Δβ,接收天线主轴方向上增益为G(θ0),单位为dB,在偏离主轴角度Δβ方向上的增益为G(θΔβ),则由于接收天线瞄准偏差引入的误差限区间半宽为

ΔGRd=G(θ0)-G(θΔβ)．

(3)

用于辐射场功率密度测量的接收天线方向图对称且顶部平滑,由瞄准问题引起的增益偏差服从均匀分布[13],则由接收天线瞄准误差引入的标准不确定度为

(4)

2.2接收天线极化失配引入的不确定度

HPM系统通常辐射线极化或圆极化波,在进行HPM辐射场功率密度测量时,要求位于辐射场中的接收天线极化方向与来波方向一致. 当接收天线极化方向与HPM系统辐射极化方向存在一定角度偏差时,根据电场矢量合成原理知,只有分解到接收天线极化方向上的那部分微波功率才能被天线接收,这将导致实测的HPM辐射场功率密度值偏低.

在天线测量领域,当收发天线极化不匹配时,通常使用极化效率η对传输公式进行修正[14],且有

(5)

式中:λ为微波波长;R为收发天线距离;GT和GR分别为发射和接收天线的增益. 极化效率η与天线极化特性、轴比、极化失配角度等多个因素有关[15].

由接收天线极化失配引入的误差限区间半宽为

ΔGRp=(1-η)GR．

(6)

其概率服从均匀分布,则由接收天线极化失配引入的不确定度为

(7)

2.3接收天线有效面积校准引入的不确定度

接收天线是辐射场测量系统的“门户”,其有效面积表征了天线对空间辐射场的接收能力,接收天线有效面积越大,耦合进入测量系统的微波功率越高. 接收天线的有效面积根据公式(8)计算给出:

(8)

在进行HPM辐射场功率密度测量时,首先要对接收天线的增益进行测量,通常采用基于矢量网络分析仪的三天线法,如图2所示,这种方法具有操作简单、精度较高等特点[5].

图2 基于矢量网络分析仪的天线增益测量方法示意图

接收天线增益测量的不确定来源有有限测量距离、入射场锥削、多路径效应、极化失配、瞄准偏差、场地不完善、矢网传输参数测量、测量系统连接失配及重复测量等[16]. 设接收天线增益测量不确定度为uGR,其概率服从均匀分布,则根据公式(8),由接收天线有效面积校准引入的不确定度为

(9)

2.4检波器输入功率计算引入的不确定度

检波器的输入功率是将实测检波脉冲幅值代入公式(10)中计算给出的:

Pde=f(V).

(10)

式中,函数f(x)为根据检波器输入功率-输出电压标定数据进行拟合得到的,一般使用多项式拟合,多项式的次数选择以残差最小为依据[9].

检波器输入功率-输出电压标定系统组成如图3所示,通过功率分配器和功率计对馈入检波器或检波组件(由衰减器和检波器组成以降低输入端电压驻波比)的微波功率进行监测. 固定微波信号源输出频率,以一定步长调节其输出功率,测量获取检波器在不同输入功率下的输出电压幅值,然后进行拟合得到公式(10).

图3 检波器输入功率-输出电压标定系统组成框图

从检波器输入功率的计算过程可知,脉冲幅度测量和检波器灵敏度校准数据拟合公式都会引入一定的不确定度,其中脉冲幅值测量不确定度又主要来源于示波器垂直分辨力和脉冲顶值、底值的测量.设脉冲幅值的测量不确定度为uV,其概率服从均匀分布;由拟合公式残差引入的输入功率偏差为δPde,其概率服从三角分布[9]. 则检波器输入功率计算引入的不确定度表示为

实施无痛护理以后，主要对两组患者的疼痛评分情况、以及住院时间、护理满意度、并发症情况进行观察。疼痛评分情况主要由专业人员对两组患者的护理前、护理后的疼痛评分进行记录。住院时间、护理满意度、并发症情况由专业人员对两组患者的住院时间、护理满意度、并发症情况进行记录。

(11)

2.5衰减环节的衰减量校准引入的不确定度

衰减环节是HPM辐射场测量系统的重要组成部分. 由于检波器输入功率一般都在毫瓦量级,HPM源功率为吉瓦量级,HPM辐射场功率密度测量系统的衰减环节的总衰减通常可达六七十分贝,若使用矢量网络分析仪对衰减环节进行整体校准,则仪器自身引入的测量不确定度较大[17],因此目前常用的校准方法是根据衰减环节组成和矢网传输参数测量不确定度对衰减环节进行分段校准再求和.

定向耦合器的耦合度、微波电缆损耗及同轴衰减器的衰减量校准方法基本相同,其校准不确定度均来源于测量仪器和测量系统连接失配. 设上述器件校准的不确定度分别为uAco、uAca及uAat,考虑到校准方法的相关性[17],则由衰减环节的衰减量校准引入的不确定度为

(12)

2.6测量系统各环节连接失配引入的不确定度

HPM辐射场功率密度测量系统由接收天线、定向耦合器、衰减器、检波器等多个环节组成,各环节之间连接失配是系统测量不确定度的主要来源之一. 图4给出了HPM辐射场测量系统连接信号流程图.

图4 HPM辐射场功率密度测量系统信流图

根据系统信号流程图的不接触环法则以及器件的传输参数[18],并忽略较小的四阶相乘项,得到辐射场功率密度测量系统的最大失配误差限为

ΔAp=

(13)

式中,Γan和Γde分别为接收天线和检波器的反射系数.

系统失配误差服从反正弦分布,则由连接失配引入的不确定度为

(14)

2.7测量环境影响引入的不确定度

HPM辐射场功率密度测量通常在微波暗室或室外开阔场地中开展,测量环境影响会引入一定的不确定度. 在外场测量中,通常采用在收发天线间地面铺设吸波材料或架高HPM源与测量系统的方法来抑制地面反射影响[11],这些措施只能降低但无法消除测量环境影响.

假设采取措施后测量环境影响被抑制在±δp(单位dB)范围以内,其概率服从三角分布,则由测量环境影响引入的不确定度可表示为

(15)

3 测量不确定度的合成

根据数学模型将上述各主要测量不确定度进行合成,得到HPM辐射场功率密度测量的合成不确定度为

(16)

工程中包含因子通常取k=2,则HPM辐射场功率密度测量的扩展不确定度为

U=2uS．

(17)

4 结 论

本文对HPM辐射场功率密度测量的不确定度进行了较为系统和全面的分析. 根据HPM辐射场功率密度测量方法建立了数学模型并分析了测量不确定度的主要来源,研究给出了每项不确定度分量的分析方法及测量不确定度的合成方法. 论文的研究工作对完善HPM辐射场功率密度测量结果和研究制定降低测量不确定度的有效措施具有一定的指导意义.

[1] 周传明, 刘国治, 刘永贵, 等.高功率微波源[M]. 北京: 原子能出版社, 2009: 36.

[2] 屈劲, 刘庆想,胡进光,等.高功率微波辐射场功率密度测量系统[J].强激光与粒子束, 2004, 16(1): 77-80.

QU J, LIU Q X, HU J G, et al. Measurement system on power density of high power microwave radiation[J]. High power laser & particle beams, 2004, 16(1): 77-80. (in Chinese)

[3] 王志田. 无线电电子学计量[M]. 北京: 原子能出版社, 2002: 24.

[4] 刘欣萌. 高频和微波功率基准及其应用研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007.

LIU X M. High frequency and microwave power standard and applications[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2007. (in Chinese)

[5] 白同云,吴畏,陈志雨.天线系数的校准和使用[J]. 电波科学学报, 2000,15(4):526-529.

BAI T Y, WU W, CHEN Z Y. The calibration and use of antenna factor[J]. Chinese journal of radio science, 2000,15(4):526-529. (in Chinese)

[6] 闻映红, 肖猛, 王维龙, 等. 建立微波标准场的高性能天线的研制[J].电波科学学报, 2007, 22(3): 518-521.

WEN Y H, XIAO M, WANG W L, et al. Development of high performance antennas for establishing microwave standard field[J]. Chinese journal of radio science, 2007, 22(3): 518-521. (in Chinese)

[7] 刘安邦, 张宇桥, 刘本东,等. 提高天线增益标定精度方法研究和误差评估[J]. 微波学报, 2012, 06: 112-114.

LIU An B, ZHANG Y Q, LIU B D, et al. Increase the antenna gain calibration accuracy method research and error evaluation[J]. Journal of microwave, 2012, 06: 112-114. (in Chinese)

[8] 滕俊恒.天线增益测量的不确定度评定[J].EMC测量技术, 2001(1): 11-14.

TENG J H. Uncertainty evaluation of antenna gain measurement[J]. EMC testing technology, 2001(1): 11-14. (in Chinese)

[9] 景洪, 曹卫平, 刘小龙, 等. X波段检波组件灵敏度测量不确定度分析[J].计量与测试技术, 2011, 38(7): 56-58.

JING H, CAO W P, LIU X L, et al. The analysis of uncertainty on the measurement of X-band detecting module[J]. Metrology & measurement technique, 2011, 38(7): 56-58. (in Chinese)

[10] 叶德培.测量不确定度理解、评定与应用[M].北京: 中国计量出版社, 2007.

[11] 蒋廷勇, 高林,刘小龙,等.抑制地面反射影响的高功率微波辐射场测量方法[J].强激光与粒子束, 2015, 27(12): 1230007.

JIANG T Y, GAO L, LIU X L, et al. Minimizing the impact of ground reflecting on high power microwave E-field measurement[J]. High power laser & particle beams, 2015, 27(12): 1230007. (in Chinese)

[12] 闫军凯, 刘小龙, 叶虎, 等. X波段高功率微波馈源辐射总功率阵列法测量技术[J].强激光与粒子束, 2011, 23(11): 3149-3153.

YAN J K, LIU X L, YE H, et al. X-band HPM feed total radiation power measurement using array method[J]. High power laser & particle beams, 2011, 23(11): 3149-3153. (in Chinese)

[13] 李宗扬, 孔玥, 张立,等. 计量技术基础[M]. 北京: 原子能出版社, 2002: 48.

[14] 林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002: 72.

[15] 毛乃宏.天线测量手册[M].北京:国防工业出版社,1987: 98.

[16] 杨林星. 角锥喇叭天线增益校准[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2013.

YANG L X. Calibration of the pyramidal horn antenna gain[D]. Xi’an: Xidian University, 2013. (in Chinese)

[17] 国家质量技术监督局计量司, 测量不确定度评定与表示指南[M]. 北京: 中国计量出版社, 2004.

[18] 吴万春, 梁昌洪. 微波网络及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 1990: 120.

刘英君(1981—),女,山东人,硕士,工程师,主要从事高功率微波测试与计量工作.

晏峰(1982—),男,陕西人,硕士,工程师,主要从事高功率微波测试与计量工作.

景洪(1983—),男,四川人,硕士,工程师,主要从事高功率微波测试与计量工作.

Measurementuncertaintyonpowerdensityofhighpowermicrowaveradiation

LIUYingjunYANFengJINGHongXIONGZhengfengHAOWenxiYANGMeng

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Radiation field measurement is an important means of testing the output index of high power microwave systems. With the development of high power microwave measurement technology, the stability and reliability of measurement system has been improved continuously, and measurement uncertainty as an important part of the complete results is getting more attention. The methods for measuring the radiated power density of high power microwave and system composition is introduced in this paper. The mathematical model of power density measurement is set up and the main source of measurement uncertainty is proposed. Measurement uncertainty components such as calculation of the input power of detector, calibration of the effective area of receiving antenna, calibration of the attenuation departments and mismatch of the complicated measurement system with multiple devices are analyzed. The combined method of measurement uncertainty on power density of high power microwave radiation is also presented. The presented combined uncertainty method is with scientific and practical values, and can improve the measurement results.

high power microwave; power density of radiated field; measurement system; measurement uncertainty; combined uncertainty

刘英君, 晏峰, 景洪, 等. 高功率微波辐射场功率密度测量不确定度分析方法[J]. 电波科学学报,2017,32(4):398-402.

10.13443/j.cjors.2017051901

LIU Y J, YAN F, JING H, et al. Measurement uncertainty on power density of high power microwave radiation[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):398-402. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017051901

TM931

A

1005-0388(2017)04-0398-05

DOI10.13443/j.cjors.2017051901

2017-05-19

国家863计划项目(2015AA8035039A)

联系人： 刘英君 E-mail: lyj02011@163.com