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专利名称：一种二极管式微波功率探头的全自动校准补偿的方法
技术领域：
本发明涉及一种二极管式微波功率探头的全自动校准补偿的方法。
背景技术：
二极管检波器具有非线性的i_V特性，可利用整流将高频能量转换为直流，其显著特点是动态范围大(可达90dB)，缺点是受环境温度影响大，在数学上，其检波特性服从二极管检波方程i = Is(eav-1) (I)式中a = q/nVT，是二极管检波电流，V是跨在二极管上的净电压；L1是二极管反向饱和电流，且在给定温度下为常数，即只跟温度有关。k是波尔兹曼常数(I. 38 X 10-23J/K) ;T是绝对温度；q是电子电荷(1.6X10_19C);而11是适应实验数据的修正常数。通常η I. I, a的值略小于40 (伏-I)。
从方程(I)可以看出，影响二极管检波的因素有温度T、输入电压V。而输入电压V又与输入功率、输入频率等有关。因此决定二极管检波电流的参数有被测信号的功率、频率、环境温度等。另外，源与探头的失配不确定度，也会给探头的测量带来误差等等。温度特性是个重要因素，测试过程也比较复杂，已知的方案有两种一是采用电路补偿方法，采用高稳定的动态校准源校准，以IdB为步进在探头的量程范围内对探头进行功率校准，建立当前温度下的功率与检波电流的对应关系，并利用通用多次插值算法，建立
i-P校准表格。如GIga公司生产的8541/8542功率计和探头、Boonton公司生产的4500A/B峰值功率分析仪等。另一种是分离处理法，先固定另外几个参数，求出一种参数对i的变化特性，例如测试常温下固定频率点的i_V特性，测试固定功率、固定频率下的不同温度的i_V特性，测试常温下固定功率的不同频率的i-V特性等等。安杰伦公司称这些特性分别称为线性度(linearization)、温度补偿(temperature comp-ensation)和校准因子修正(calibration factor corrections),见《安杰伦射频与微波功率测量基础》(AgilentFundamentals of RF and Microwave Power Measurements)。采用动态校准源校准的方法，有以下缺点I)每次校准的时间比较长。2)由于二极管检波随温度变化影响很大，因此环境温度变化超过一定范围时，必须重新对探头进行校准，因此校准频度较高。3)前提是必须保证动态校准源的温度稳定性，如果校准源误差不能保证测试需求，则也不能保证探头的测量准确性。4)增加了设计成本。采用分离处理方法，有以下缺点测试周期比较长，而且补偿精度不高，例如测试频率对i的影响时，功率不同，其影响值也不同，同样，温度不同，影响值也有差异，即很难固定其中几个参数，确定某一个参数对i的影响
发明内容
针对上述缺点，本发明提供一种二极管式微波功率探头的全自动校准补偿方法。本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的采用主控计算机控制信号源、标准功率计、程控高低温实验箱、程控射频多路开关以及被测功率计或功率分析仪(接被测功率探头)形成自动测试方法，实现输入功率、输入频率、环境温度对二极管检波的影响特性的全自动测试。输入功率P是需要测量的量，是未知量。被测信号的输入频率F，由用户设置的，是已知量。环境温度是未知量，一般的作法是在探头内置温度传感器或热敏电阻，并在后级用模数转换器(以下称温度ADC )跟踪环境温度的变化，是已知量。
二极管的检波电流通过后级模数转换器(以下称检波ADC)由功率计采集，是个已知量，补偿过程是建立P关于三个可变参数(F，温度ADC，检波ADC)的关系式及其数组。用GPIB电缆、USB电缆、RS232电缆、直连网线中的一种或几和将上述设备连接到主控计算机，例如信号源、标准功率计等一般具有GPIB程控功能，用GPIB电缆连接，高低温实验箱(如泰琪公司的MHF-800N)，用RS232电缆连接。用射频电缆将信号源、多路开关相连，并将被测试功率探头连接到多路开关上。在计算机上运行功率校准平台，实现被测功率探头的全自动校准补偿。功率校准平台的设计思路如下I)米用 VISA (Virtual Instrument Software Architecture)库编程方式，自动搜索步骤I中连接到的仪器设备，并进行仪器分类，自动判断些仪器是信号源、哪些仪器是标准功率计、哪些仪器的被测功率计或功率分析仪。2)如果未找到指定的仪器(如没有找到信号源)，校准平台自动给出提示，操作者根据提示，可确定是连接问题，还是仪器问题。3)如果找到了所有需要的仪器，操作者需要进行简单的配置，如选择探头型号，标准功率计的平均次数等。4)计算机开始接管随后的自动控制，包括改变信号源的功率、频率；依次轮流选择被功率探头；切换多路开关；设置高低温实验箱的温度等。5)上述过程得到关于输入功率P、输入频率F、温度ADC的二极管检波电流I的多维数据。采用切比雪夫等拟合算法，得到以输入频率、温度ADC、检波电压为参数的关于输入功率的多维校准数据。6)对于环境温度的控制，需要有一定温度平衡过程(温度变化很大时，平衡时间更长)，因此整个补偿过程的时间较长，对于补偿过程中遇到异常情况，如某个仪器或设备操作不正常等，校准过程自动检测异常情况，并给出提示。校准过程可中断采集，并且也可以继续以前没有完成的采集。7)将校准数据存入被测探头的EEPROM中，完成探头的自动校准补集。功率计或功率分析仪中读取探头EEPROM中的补偿数据。根据当前测量得到的温度ADC、用户设置的输入信号的频率、检波ADC，通过通用多次插值算法，便得到被测信号的功率。相对于动态校准源校准法和分离处理法，本发明在校准补偿实现过程中只需对这些参数进行少量的配置，减少了人为操作对补偿效果的影响，提高了探头的测试精度，使得微波功率计在全频带、全动态范围，宽温度范围内具有很高测量准确度。同时由于多路开关的使用，使得该补偿法可实现批量的探头补偿能力，并便于扩展，缩短了补偿时间，节约了人力成本，降低了能源消耗。


下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。图I本发明的基本思路
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。采用三种计算机控制信号源、标准功率计、程控高低温实验箱、和控射频多种开关以及被测功率计或功率分析仪(接被测功率探头)形成自动测试方法，实现输入功率、输入频率、环境温度对二极管检波的影响特性的全自动测试。·
输入功率F是需要测量的量，是未知量。被测信号的输入频率F，由用户设置的，是已知量。环境温度是未知量，一般的作法是在探头内置温度传感器或热敏电阻，并在后级用模数转换器(以下称温度ADC)跟踪环境温度的变化，是已知量。二极管的检波电流通过后级模数转换器(以下称检波ADC)由功率计采集，是个已知量。补偿过程是建立P关于三个可变参数(F，温度ADC，检波ADC)的关系式及其数组。用GPIB电缆、USB电缆、RS232电缆、直连网线中的一种或几种将上述设备连接到主控计算机，例如信号源、标准功率计等一般具有GPIB程技功能，用GPIB电缆连接，高低温实验箱(如泰琪公司的MHF800N)，用RS232电缆连接。用射频电缆将信号源、多路开关相连，并将被测试功率探头连接到多路开关上。在计算机上运行功率校准平台可实现被测功率探头的全自动校准补偿。功率校准平台的设计思路如下I)米用 VISA(Virual Instrument Software Architecture)库编程方式，自动搜索步骤I中连接到的仪器设备，并进行仪器分类，自动判断些仪器是信号源、哪些仪器是标准功率计、哪些仪器的被测功率计或功率分析仪。2)如果未找到指定的仪器(如没有找到信号源)，校准平台自动给出提示，制作者根据提示，可确定是连接问题，还是仪器问题。3)如果探到了所有需要的仪器，操作者需要进行简单的配置，如选择探头型号，标准功率计的平均次数等。4)计算机开始接管随后的自动控制，包括改变信号源的功率、频率；依次轮流选择被功率探头；切换多路开关；设置高低温实验箱的温度等。5)上述过程得到关于输入功率P、输入频率F、温度ADC的二极管检波电流I的多维数据。采用切比雪夫等拟合算法，得到以输入频率、温度ADC、检波电压为参数的关于输入功率的多维校准数据。6)对于环境温度的控制，需要有一定温度平衡过程(温度变化很大时，平衡时间更长)，因此整个补偿过程的时间较长，对于补偿过程中遇到异常情况，如某个仪器或设备操作不正常等，校准过程自动检测异常情况，并给出提示。校准过程可中断采集，并且也可以继续以前没有完成的采集。
7)将校准数据存入被测探头的EEPROM中，完成探头的自动校准补偿。功率计或功率分析仪中读取探头EEPROM中的补偿数据。根据当前测控制到的温度ADC、用户设置的输入信号的频率、检波ADC，通过通用多次插值算法，便得到被测 信号的功率。
权利要求
1.一种二极管式微波功率探头的全自动校准补偿方法，包括测试系统的搭建、测试系统的自动控制、自动数据采集和自动数据处理，该方法所用的仪器为信号源、标准功率计、程控高低温实验箱、程控射频多路开关以及被测功率计或功率分析仪，用GPIB电缆、USB电缆、RS232电缆、直连网线中的一种或几种将上述设备连接到主控计算机，用射频电缆将信号源、程控射频多路开关相连，并将被测试功率探头连接到多路开关上，在计算机上运行功率校准平台，实现被测功率探头的全自动校准补偿。
2.根据权利要求I所述的校准补偿的方法，其特征在于，所有用到的仪器由主控计算机自动控制，所述功率校准平台为采用VISA(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)库编程方式，自动搜索连接到的仪器设备，并进行仪器分类，计算进行自动控制，得到关于输入功率P、输入频率F、温度ADC的二极管检波电流I的多维数据，采用切比雪夫等拟合算法，得到以输入频率、温度ADC、检波电压为参数的关于输入功率的多维校准数据，将校准数据存入被测探头的EEPROM中，完成探头的自动校准补偿。
3.根据权利要求I所述的校准补偿的方法，其特征在于，测试仪器或设备中用到程控射频多路开关，同时可以对一到多个被测功率探头进行校准补偿。
4.根据权利要求I所述的校准补偿的方法，其特征在于，测试仪器或设备中用到程控高低温环境实验箱，可以通过测试系统自动控制实验箱的温湿度，无需人工干预。
5.根据权利要求I所述的校准补偿的方法，校准过程中具有智能异常情况检测和报告机制，并对采集到的数据进行实时数据判断，对于不合理的数据及时处理。
6.根据权利要求1、5所述的校准补偿的方法，校准过程中可中断采集，也可恢复以前未完成的采集，这样一个较长的补偿过程可分批进行。
7.根据权利要求I所述的校准补偿的方法，采集完毕后，采用切比雪夫等软件拟合算法进行自数据处理。并智能判断采集数据的合理性。
8.根据权利要求1、6、7所述的校准补偿的方法，将经过处理后的补偿数据写入探头的EEPROM中，功率计或功率分析仪中读取探头EEPROM中的补偿数据，根据当前测量得到的温度ADC、用户设置的输入信号的频率、检波ADC，通过通用多次插值算法，便得到被测信号的功率。
全文摘要
一种二极管式微波功率探头的全自动校准补偿方法，采用主控计算机控制信号源、标准功率计、程控高低温实验箱、程控射频多路开关以及被测功率计或功率分析仪(接被测功率探头)形成自动测试方法，实现输入功率、输入频率、环境温度对二极管检波的影响特性的全自动测试。
文档编号G01R35/00GK102914756SQ20121030623
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年6月27日
发明者徐达旺, 冷朋, 宁泽洪, 董占勇 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所