Как рассчитать погрешность измерения пиковой мощности

Введение

Основным назначением измерителей мощности ВЧ-сигналов является точное измерение абсолютных значений мощности и обеспечение точности на уровне эталонной системы. Будь то испытательная система в составе производственной линии, диагностический стенд или система для измерения параметров РЛС и средств мобильной связи в полевых условиях, измеритель мощности сохраняет за собой роль эталонного прибора, обеспечивающего прослеживаемость измерений к национальным эталонам. Это гарантирует возможность воспроизводимости измерений в другом месте и в другое время.

И хотя измерители мощности считаются наиболее точными приборами для измерения мощности, при их использовании неизбежно возникают погрешности. Многие производители измерителей мощности публикуют статьи и разрабатывают методики, помогающие анализировать погрешности, однако во всех этих материалах в большинстве случаев рассматривается лишь измерение средней мощности.

В этой статье описываются погрешности, связанные с измерением пиковой мощности. Также, для улучшения понимания этого вопроса, дано краткое описание методов измерения пиковой мощности и погрешностей измерения средней мощности.

Захват сигнала и выполнение измерений с помощью измерителя пиковой мощности

Входной интерфейс измерителя мощности состоит из чувствительного элемента, в качестве которого обычно используется диодный датчик (рисунок). Датчик преобразует мощность измеряемого сигнала в напряжение. В подсистеме захвата аналоговый сигнал напряжения фильтруется, дискретизируется и преобразуется из аналоговой формы в цифровую. На выход поступает цифровое представление входного аналогового сигнала.

Рисунок. Типовая структурная схема измерителя средней и пиковой мощности

Подсистема захвата имеет два сигнальных тракта: один из них измеряет только синусоидальные немодулированные сигналы (и средние значения), а второй выполняет широкополосные пиковые измерения.

Широкополосный тракт состоит из прецизионных широкополосных усилителей и дискретизатора с большим динамическим диапазоном. Огибающая сигнала отслеживается датчиком и с высокой скоростью дискретизируется непрерывно тактируемым АЦП (обычно с частотой 80 МГц и выше). Это позволяет получить оцифрованную форму огибающей мощности исследуемого сигнала в реальном масштабе времени. Для точной регистрации сигналов мощности с большим динамическим диапазоном обычно используются два параллельных АЦП со сдвигом по времени. При этом выполняется захват с упреждающим и задержанным запуском с последующим сохранением выборок. Захват контролируется системой запуска, которая определяет его временные характеристики. По завершении захвата все выборки передаются из памяти захвата в цифровой сигнальный процессор (ЦСП), который выполняет коррекцию и обработку измерений. ЦСП со встроенным ПО выполняет несколько видов обработки «сырых» оцифрованных результатов, полученных из блока захвата: коррекцию нуля/калибровку, коррекцию диапазона и полосы или математическую обработку измерений (вычисление пиковой и средней мощности, комплементарной интегральной функции распределения, трассировки).

Аналоговый тракт немодулированного сигнала измерителя мощности работает так же, как и традиционный измеритель средней мощности. Новое измерение выполняется после интегрирования хотя бы по одному периоду сигнала. Измерения фильтруются для подавления шумов и обеспечивают приемлемую скорость обновления — порядка 20/40/400 и более измерений в секунду.

Кроме того, прибор оборудован встроенным термодатчиком. Он измеряет температуру детектора и позволяет линеаризовать характеристику датчика в зависимости от его температуры.

Погрешности измерения средней мощности

В измерениях мощности, как и в любых других измерениях, существует множество источников погрешностей или ошибок. В большинстве случаев погрешность измерения складывается из трех основных составляющих: погрешности согласования датчика и источника сигнала, погрешности датчика и погрешности измерителя.

Погрешность согласования датчика и источника сигнала обычно дает самый большой вклад в общую погрешность и порождается сложением и вычитанием прямого и отраженного сигнала, что и создает стоячую волну напряжения в линии передачи. Это приводит к тому, что часть входной мощности не достигает датчика, а значит, не может быть измерена.

Вторым по значимости источником ошибок являются погрешности, связанные с датчиком мощности. Не вся мощность, достигающая датчика, будет измерена. Часть ее рассеивается в деталях датчика. Он измеряет только ту мощность, которая рассеивается на чувствительном элементе. Для коррекции неидеальной характеристики чувствительного элемента используется коэффициент калибровки.

Третий источник ошибок обусловлен погрешностями электронных компонентов измерителя мощности, такими как погрешность калибратора, погрешность коэффициента усиления усилителя и нелинейность цепей сигнального тракта. С появлением USB-датчиков мощности этот источник погрешности был исключен и считается теперь частью погрешности датчика, которая включает в себя нелинейность, погрешность коэффициента калибровки, температурную зависимость и погрешности, связанные с внутренними процессами калибровки.

При измерении сигналов малого уровня появляются дополнительные источники погрешности, такие как установка нуля, дрейф нуля и шум. Эти ошибки можно проанализировать и объединить с помощью метода GUM (руководство по расчету погрешностей измерения) для получения общей погрешности измерения (табл. 1). Метод GUM принят всеми основными государственными институтами метрологии и метрологическими лабораториями.

Погрешности измерения пиковой мощности

В сущности, пиковая мощность — это средняя мощность за малый период времени. Приведенный выше пример расчета погрешностей измерения средней мощности в равной степени применим и к пиковой мощности. Основная разница заключается в шуме. Поскольку в измерениях пиковой мощности принимает участие только одна выборка, нужно использовать параметр «шум одной выборки». Если измерить среднюю мощность за определенный период времени (стробируемое измерение), то можно рассчитать шум за этот период времени. С ростом интервала измерения шум будет снижаться благодаря эффекту усреднения:

Для измерителя мощности с интервалом выборки 12,5 нс и шумом одной выборки 2,5 мкВт шум в интервале 5 мкс будет равен 125 нВт. При измерении пиковой мощности в том же интервале можно просто использовать шум одной выборки, который в данном случае равен 2,5 мкВт (табл. 2).

Заключение

Измерители и датчики мощности ВЧ-сигнала являются важными приборами, применяемыми для обеспечения отслеживаемости результатов измерений на уровне эталонной системы, что позволяет выполнять точные измерения абсолютной мощности ВЧ-сигналов. Методы, используемые для калибровки измерителей и датчиков мощности, хорошо известны и обычно основаны на методе GUM. Этот метод можно применять к измерениям средней и пиковой мощности. Основная разница между этими измерениями заключается в типе шума. В измерениях средней мощности используется шум несинхронных измерений с автоматическим запуском, тогда как в измерениях пиковой мощности или стробируемых измерениях средней мощности используется шум на одну выборку. Компания Agilent предлагает широкий выбор измерителей и датчиков пиковой и средней мощности. Для всех измерителей и датчиков мощности Agilent имеются калькуляторы погрешностей, которые можно загрузить со страницы www.agilent.com/find/uncertainty_calculators.