專利名稱：一種二極管式微波功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管式微波功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
二極管檢波器具有非線性的i_V特性，可利用整流將高頻能量轉(zhuǎn)換為直流，其顯著特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍大(可達(dá)90dB)，缺點(diǎn)是受環(huán)境溫度影響大，在數(shù)學(xué)上，其檢波特性服從二極管檢波方程i = Is(eav-1) (I)式中a = q/nVT，是二極管檢波電流，V是跨在二極管上的凈電壓；L1是二極管反向飽和電流，且在給定溫度下為常數(shù)，即只跟溫度有關(guān)。k是波爾茲曼常數(shù)(I. 38 X 10-23J/K) ;T是絕對(duì)溫度；q是電子電荷(1.6X10_19C);而11是適應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正常數(shù)。通常η I. I, a的值略小于40 (伏-I)。
從方程(I)可以看出，影響二極管檢波的因素有溫度T、輸入電壓V。而輸入電壓V又與輸入功率、輸入頻率等有關(guān)。因此決定二極管檢波電流的參數(shù)有被測信號(hào)的功率、頻率、環(huán)境溫度等。另外，源與探頭的失配不確定度，也會(huì)給探頭的測量帶來誤差等等。溫度特性是個(gè)重要因素，測試過程也比較復(fù)雜，已知的方案有兩種一是采用電路補(bǔ)償方法，采用高穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)源校準(zhǔn)，以IdB為步進(jìn)在探頭的量程范圍內(nèi)對(duì)探頭進(jìn)行功率校準(zhǔn)，建立當(dāng)前溫度下的功率與檢波電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并利用通用多次插值算法，建立
i-P校準(zhǔn)表格。如GIga公司生產(chǎn)的8541/8542功率計(jì)和探頭、Boonton公司生產(chǎn)的4500A/B峰值功率分析儀等。另一種是分離處理法，先固定另外幾個(gè)參數(shù)，求出一種參數(shù)對(duì)i的變化特性，例如測試常溫下固定頻率點(diǎn)的i_V特性，測試固定功率、固定頻率下的不同溫度的i_V特性，測試常溫下固定功率的不同頻率的i-V特性等等。安杰倫公司稱這些特性分別稱為線性度(linearization)、溫度補(bǔ)償(temperature comp-ensation)和校準(zhǔn)因子修正(calibration factor corrections),見《安杰倫射頻與微波功率測量基礎(chǔ)》(AgilentFundamentals of RF and Microwave Power Measurements)。采用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)源校準(zhǔn)的方法，有以下缺點(diǎn)I)每次校準(zhǔn)的時(shí)間比較長。2)由于二極管檢波隨溫度變化影響很大，因此環(huán)境溫度變化超過一定范圍時(shí)，必須重新對(duì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，因此校準(zhǔn)頻度較高。3)前提是必須保證動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性，如果校準(zhǔn)源誤差不能保證測試需求，則也不能保證探頭的測量準(zhǔn)確性。4)增加了設(shè)計(jì)成本。采用分離處理方法，有以下缺點(diǎn)測試周期比較長，而且補(bǔ)償精度不高，例如測試頻率對(duì)i的影響時(shí)，功率不同，其影響值也不同，同樣，溫度不同，影響值也有差異，即很難固定其中幾個(gè)參數(shù)，確定某一個(gè)參數(shù)對(duì)i的影響
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種二極管式微波功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的采用主控計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、程控高低溫實(shí)驗(yàn)箱、程控射頻多路開關(guān)以及被測功率計(jì)或功率分析儀(接被測功率探頭)形成自動(dòng)測試方法，實(shí)現(xiàn)輸入功率、輸入頻率、環(huán)境溫度對(duì)二極管檢波的影響特性的全自動(dòng)測試。輸入功率P是需要測量的量，是未知量。被測信號(hào)的輸入頻率F，由用戶設(shè)置的，是已知量。環(huán)境溫度是未知量，一般的作法是在探頭內(nèi)置溫度傳感器或熱敏電阻，并在后級(jí)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下稱溫度ADC )跟蹤環(huán)境溫度的變化，是已知量。
二極管的檢波電流通過后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下稱檢波ADC)由功率計(jì)采集，是個(gè)已知量，補(bǔ)償過程是建立P關(guān)于三個(gè)可變參數(shù)(F，溫度ADC，檢波ADC)的關(guān)系式及其數(shù)組。用GPIB電纜、USB電纜、RS232電纜、直連網(wǎng)線中的一種或幾和將上述設(shè)備連接到主控計(jì)算機(jī)，例如信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)等一般具有GPIB程控功能，用GPIB電纜連接，高低溫實(shí)驗(yàn)箱(如泰琪公司的MHF-800N)，用RS232電纜連接。用射頻電纜將信號(hào)源、多路開關(guān)相連，并將被測試功率探頭連接到多路開關(guān)上。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行功率校準(zhǔn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)被測功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償。功率校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路如下I)米用 VISA (Virtual Instrument Software Architecture)庫編程方式，自動(dòng)搜索步驟I中連接到的儀器設(shè)備，并進(jìn)行儀器分類，自動(dòng)判斷些儀器是信號(hào)源、哪些儀器是標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、哪些儀器的被測功率計(jì)或功率分析儀。2)如果未找到指定的儀器(如沒有找到信號(hào)源)，校準(zhǔn)平臺(tái)自動(dòng)給出提示，操作者根據(jù)提示，可確定是連接問題，還是儀器問題。3)如果找到了所有需要的儀器，操作者需要進(jìn)行簡單的配置，如選擇探頭型號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)的平均次數(shù)等。4)計(jì)算機(jī)開始接管隨后的自動(dòng)控制，包括改變信號(hào)源的功率、頻率；依次輪流選擇被功率探頭；切換多路開關(guān)；設(shè)置高低溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度等。5)上述過程得到關(guān)于輸入功率P、輸入頻率F、溫度ADC的二極管檢波電流I的多維數(shù)據(jù)。采用切比雪夫等擬合算法，得到以輸入頻率、溫度ADC、檢波電壓為參數(shù)的關(guān)于輸入功率的多維校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。6)對(duì)于環(huán)境溫度的控制，需要有一定溫度平衡過程(溫度變化很大時(shí)，平衡時(shí)間更長)，因此整個(gè)補(bǔ)償過程的時(shí)間較長，對(duì)于補(bǔ)償過程中遇到異常情況，如某個(gè)儀器或設(shè)備操作不正常等，校準(zhǔn)過程自動(dòng)檢測異常情況，并給出提示。校準(zhǔn)過程可中斷采集，并且也可以繼續(xù)以前沒有完成的采集。7)將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入被測探頭的EEPROM中，完成探頭的自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)集。功率計(jì)或功率分析儀中讀取探頭EEPROM中的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)前測量得到的溫度ADC、用戶設(shè)置的輸入信號(hào)的頻率、檢波ADC，通過通用多次插值算法，便得到被測信號(hào)的功率。相對(duì)于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)源校準(zhǔn)法和分離處理法，本發(fā)明在校準(zhǔn)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)過程中只需對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行少量的配置，減少了人為操作對(duì)補(bǔ)償效果的影響，提高了探頭的測試精度，使得微波功率計(jì)在全頻帶、全動(dòng)態(tài)范圍，寬溫度范圍內(nèi)具有很高測量準(zhǔn)確度。同時(shí)由于多路開關(guān)的使用，使得該補(bǔ)償法可實(shí)現(xiàn)批量的探頭補(bǔ)償能力，并便于擴(kuò)展，縮短了補(bǔ)償時(shí)間，節(jié)約了人力成本，降低了能源消耗。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖I本發(fā)明的基本思路
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。采用三種計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、程控高低溫實(shí)驗(yàn)箱、和控射頻多種開關(guān)以及被測功率計(jì)或功率分析儀(接被測功率探頭)形成自動(dòng)測試方法，實(shí)現(xiàn)輸入功率、輸入頻率、環(huán)境溫度對(duì)二極管檢波的影響特性的全自動(dòng)測試。·
輸入功率F是需要測量的量，是未知量。被測信號(hào)的輸入頻率F，由用戶設(shè)置的，是已知量。環(huán)境溫度是未知量，一般的作法是在探頭內(nèi)置溫度傳感器或熱敏電阻，并在后級(jí)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下稱溫度ADC)跟蹤環(huán)境溫度的變化，是已知量。二極管的檢波電流通過后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下稱檢波ADC)由功率計(jì)采集，是個(gè)已知量。補(bǔ)償過程是建立P關(guān)于三個(gè)可變參數(shù)(F，溫度ADC，檢波ADC)的關(guān)系式及其數(shù)組。用GPIB電纜、USB電纜、RS232電纜、直連網(wǎng)線中的一種或幾種將上述設(shè)備連接到主控計(jì)算機(jī)，例如信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)等一般具有GPIB程技功能，用GPIB電纜連接，高低溫實(shí)驗(yàn)箱(如泰琪公司的MHF800N)，用RS232電纜連接。用射頻電纜將信號(hào)源、多路開關(guān)相連，并將被測試功率探頭連接到多路開關(guān)上。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行功率校準(zhǔn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)被測功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償。功率校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路如下I)米用 VISA(Virual Instrument Software Architecture)庫編程方式，自動(dòng)搜索步驟I中連接到的儀器設(shè)備，并進(jìn)行儀器分類，自動(dòng)判斷些儀器是信號(hào)源、哪些儀器是標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、哪些儀器的被測功率計(jì)或功率分析儀。2)如果未找到指定的儀器(如沒有找到信號(hào)源)，校準(zhǔn)平臺(tái)自動(dòng)給出提示，制作者根據(jù)提示，可確定是連接問題，還是儀器問題。3)如果探到了所有需要的儀器，操作者需要進(jìn)行簡單的配置，如選擇探頭型號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)的平均次數(shù)等。4)計(jì)算機(jī)開始接管隨后的自動(dòng)控制，包括改變信號(hào)源的功率、頻率；依次輪流選擇被功率探頭；切換多路開關(guān)；設(shè)置高低溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度等。5)上述過程得到關(guān)于輸入功率P、輸入頻率F、溫度ADC的二極管檢波電流I的多維數(shù)據(jù)。采用切比雪夫等擬合算法，得到以輸入頻率、溫度ADC、檢波電壓為參數(shù)的關(guān)于輸入功率的多維校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。6)對(duì)于環(huán)境溫度的控制，需要有一定溫度平衡過程(溫度變化很大時(shí)，平衡時(shí)間更長)，因此整個(gè)補(bǔ)償過程的時(shí)間較長，對(duì)于補(bǔ)償過程中遇到異常情況，如某個(gè)儀器或設(shè)備操作不正常等，校準(zhǔn)過程自動(dòng)檢測異常情況，并給出提示。校準(zhǔn)過程可中斷采集，并且也可以繼續(xù)以前沒有完成的采集。
7)將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入被測探頭的EEPROM中，完成探頭的自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償。功率計(jì)或功率分析儀中讀取探頭EEPROM中的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)前測控制到的溫度ADC、用戶設(shè)置的輸入信號(hào)的頻率、檢波ADC，通過通用多次插值算法，便得到被測 信號(hào)的功率。
權(quán)利要求
1.一種二極管式微波功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，包括測試系統(tǒng)的搭建、測試系統(tǒng)的自動(dòng)控制、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，該方法所用的儀器為信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、程控高低溫實(shí)驗(yàn)箱、程控射頻多路開關(guān)以及被測功率計(jì)或功率分析儀，用GPIB電纜、USB電纜、RS232電纜、直連網(wǎng)線中的一種或幾種將上述設(shè)備連接到主控計(jì)算機(jī)，用射頻電纜將信號(hào)源、程控射頻多路開關(guān)相連，并將被測試功率探頭連接到多路開關(guān)上，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行功率校準(zhǔn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)被測功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，所有用到的儀器由主控計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，所述功率校準(zhǔn)平臺(tái)為采用VISA(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)庫編程方式，自動(dòng)搜索連接到的儀器設(shè)備，并進(jìn)行儀器分類，計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)控制，得到關(guān)于輸入功率P、輸入頻率F、溫度ADC的二極管檢波電流I的多維數(shù)據(jù)，采用切比雪夫等擬合算法，得到以輸入頻率、溫度ADC、檢波電壓為參數(shù)的關(guān)于輸入功率的多維校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入被測探頭的EEPROM中，完成探頭的自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，測試儀器或設(shè)備中用到程控射頻多路開關(guān)，同時(shí)可以對(duì)一到多個(gè)被測功率探頭進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，測試儀器或設(shè)備中用到程控高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱，可以通過測試系統(tǒng)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱的溫濕度，無需人工干預(yù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，校?zhǔn)過程中具有智能異常情況檢測和報(bào)告機(jī)制，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷，對(duì)于不合理的數(shù)據(jù)及時(shí)處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、5所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，校?zhǔn)過程中可中斷采集，也可恢復(fù)以前未完成的采集，這樣一個(gè)較長的補(bǔ)償過程可分批進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，采集完畢后，采用切比雪夫等軟件擬合算法進(jìn)行自數(shù)據(jù)處理。并智能判斷采集數(shù)據(jù)的合理性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、6、7所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，將?jīng)過處理后的補(bǔ)償數(shù)據(jù)寫入探頭的EEPROM中，功率計(jì)或功率分析儀中讀取探頭EEPROM中的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前測量得到的溫度ADC、用戶設(shè)置的輸入信號(hào)的頻率、檢波ADC，通過通用多次插值算法，便得到被測信號(hào)的功率。
全文摘要
一種二極管式微波功率探頭的全自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，采用主控計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、程控高低溫實(shí)驗(yàn)箱、程控射頻多路開關(guān)以及被測功率計(jì)或功率分析儀(接被測功率探頭)形成自動(dòng)測試方法，實(shí)現(xiàn)輸入功率、輸入頻率、環(huán)境溫度對(duì)二極管檢波的影響特性的全自動(dòng)測試。
文檔編號(hào)G01R35/00GK102914756SQ20121030623
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者徐達(dá)旺, 冷朋, 寧澤洪, 董占勇 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所