江苏省计量科学研究院电子与电气计量研究所 冯亮 张露妍
摘 要：文章简要介绍了定向耦合器的基本原理，阐述了利用定向耦合器进行中功率计校准的方法。分析了定向耦合器法的测量不确定度来源，指出了中功率条件下影响功率测量准确度的主要因素，并介绍了减小测量误差的方法和测试时的注意事项。
关键词：定向耦合器；中功率；校准；不确定度
0 引言
功率是高频和微波领域的基本参数之一，它表征了高频和微波信源的传输特性。微波功率计量是对对微波信号能量的绝对测量。通常将大于1W而小于100W的微波连续波功率称为微波中功率，将大于100W的微波功率称为大功率。
随着通信技术，特别是数字处理技术、宽带传输技术等新技术的高速发展，科研、国防及工业的对功率测量的准确度和频率范围需求愈来愈高，因此，开展对功率测量系统及其应用的研究，对保证我国功率量值的统一，提高功率测量准确度都有重要的意义和实际价值。本文将简要介绍定向耦合器在中功率计校准中的应用，主要分析中功率条件下影响测量准确度的主要因素及减少测量误差的方法。
1 定向耦合器基础
定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。原理框图如图1。它有输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）和隔离端（端口4)。当信号从输入端输入时，除了一部分功率直接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向定向耦合器”。反之，称为“反向定向耦合器”。
图1 定向耦合器原理框图
定向耦合器的主要技术指标有插入损耗T、耦合度C、方向性D（也称定向性）和隔离度I。设输入功率为 P1，直通端、耦合端和隔离端在接匹配负载时的输出功率分别为P2，P3，P4。
描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即方向性＝隔离度-耦合度。
2 定向耦合器法校准中功率计
2.1 测量原理
中功率计一般用交替比较法进行校准。校准装置由稳幅信号源、终端式标准功率座和标准功率指示器组成。交替比较法是利用高一级的标准功率座校准被校功率座。校准程序是：将标准功率计和被校功率计交替地接到稳定的信号源上，信号源的输出保持不变，得出被校功率计所吸收的功率
和标准功率计所吸收的功率
的特定关系，从而得到被校功率计的校准因子。
交替比较法原理框图如图2所示。
图2 交替比较法原理框图
定向耦合器法是在交替比较法的基础上提出的。在定向耦合器的耦合端接一个参考功率计，输出端依次连接标准功率计和被校功率计，在定向耦合器输入端口输入功率时两个功率计同时读数, 参考功率计保证信号源的输出不变，得出被校功率计所吸收的功率和标准功率计所吸收的功率的特定关系，从而得到被校功率计的校准因子。连接框图如图3。
图3 定向耦合器法原理框图
2.2 定向耦合器的选择和定标
定向耦合器的选择主要看最大耐受功率、耦合度和工作频段。要求定向耦合器的工作频段能够覆盖被测功率计的工作频段；最大承受功率应大于功率放大器最大线性输出功率；耦合端的输出功率要适合小功率座的测量范围；端口驻波尽可能小；随温度变化量小。
矢量网络分析仪是全面测量网络参数的高精度智能化仪器，利用矢量网络分析仪可以方便的测出定向耦合器的各参数。选择满足定向耦合器工作带宽的矢量网络分析仪，按系统规定时间进行预热，连接好测试电缆，应用合适的校准件进行校准，具体测量步骤如下：
1） 耦合度
将定向耦合器的端口1,3分别连接到矢量网络分析仪的测试端口1和2，其他两个端口分别接匹配负载。这时网络分析仪上测出的S21即为定向耦合器端口1到端口3的耦合度。
2） 插入损耗
将定向耦合器的端口1,2分别连接到矢量网络分析仪的测试端口1和2，其他两个端口分别接匹配负载。这时网络分析仪上测出的S21即为定向耦合器的插入损耗。
3） 方向性
将定向耦合器端口2,3分别连接到矢量网络分析仪的测试端口1和2，端口1接短路器，端口4接匹配负载。由于短路器的全反射特性，端口2入射波在到达端口1经全反射耦合到端口3.所得S21即为端口3的耦合度。将此时的S21值存入存储器，然后进行归一化处理。再将定向耦合器的端口1接匹配负载，这时测得的S21就是定向耦合器的方向性。
由于说明书上给出的性能指标大多是在小功率电平下定标的。中功率状态时，耦合度等指标会随着功率电平的大小而改变，而且温度的变化以及所加功率时间的长短都会引起耦合度等指标的变化。因此在测试前应在不同功率下对定向耦合器的指标进行测量。目前市场上已经有能够进行中功率测量的矢量网络分析仪，可以通过在源端增加放大器和接收机前端增加衰减器的方法进行中功率状态下S参数的测量。
3 测量不确定度来源
定向耦合器法进行中功率计校准的测量不确定度分量大致如下：
1） 标准功率计绝对功率测量不确定度
2） 定向耦合器在中功率状态下耦合度变化引入的不确定度
3） 定向耦合器耦合度测量不准确引入的测量不确定度
4） 定向耦合器与功率计之间的失配引入的测量不确定度
5） 功率计校准引入的测量不确定度
6） 测量重复性引入的测量不确定度
测量不确定度的分析与评定取决于对测量方法、测量仪器以及测量过程的了解。针对不同的测量系统，需要深入研究可能会影响测量结果的各个因素，并根据实际情况具体分析不确定度分量的来源。通常情况下是测量系统越复杂，不确定度的来源就越多。因此，合理的简化测量系统，选用合适的标准仪器和良好的操作习惯都有助于得到准确的测量结果。
4 测量过程中的注意事项
1） 操作环境的要求
在大地中，各个不同点之间往往存在电位差，尤其在大功率用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，这一电位差更大。在仪表的使用中往往又会使输入回路存在多个接地点，这样就把不同接地点的电位差引入仪表，这种地电位差有时能达110V以上，因此所有仪器设备和工作台必须良好接地。
电子器件在工作过程中要散发热量，电子仪器本身也有一定范围的工作温度。工作温度或环境温度越接近仪器工作温度的上限，电子器件的性能指标就越呈现几何级数地变差，因此需要控制和保证测量场地的环境温度。
测量仪器不应与产生振动的设备放置在一起，因为振动可能使仪器内机械部分、连接的接头产生松动而造成工作异常或测量结果的异常。导线在磁场中运动时，会产生感应电动势。因此在振动的环境中把信号线固定是很有必要的。
2） 仪器的正确操作
功率计使用前应当进行校准。前端有配合衰减器使用的中功率探头，在校准时应取下衰减器。在中功率条件下特别要注意各仪器的最大承受功率。信号在输入功率放大器时，需要注意根据放大器的增益合理选择激励的大小，避免放大器输出过大。放大器的输出端不可以开路，工作状态下的全反射将会损坏放大器。
5 结语
本文就定向耦合器的基本原理和利用定向耦合器进行中功率计校准的方法进行了简要介绍。结合自身应用经验，分析了定向耦合器法进行中功率计校准的测量不确定度来源，指出了中功率条件下影响功率测量准确度的主要因素并介绍了减小测量误差的方法和测试时的注意事项。希望给中功率参数的建标和测量提供参考。
[参考文献]
[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] 余振坤曲文英. 射频大功率测量误差分析[J]. 微波学报. 2006.06