功率電平計量是信號源計量中一個最重要的環(huán)節(jié)，所以信號源電平不確定度的的評估尤為重要。

影響信號源電平不確定度的因素很多，有外部因素和內(nèi)部因素，總的來看，信號源計量一般分為兩個階段，第一個階段是絕對功率測量，這個是來定義參考功率大小的標(biāo)準(zhǔn)，在絕對功率測量中，最為準(zhǔn)確的設(shè)備為功率計，為了減小誤差，一般絕對功率計量中使用的信號電平比較大，通常在功率計最佳工作范圍內(nèi)，這樣帶來的測量不確定度也會相應(yīng)的減小。在絕對功率測量后，之后就是相對功率測量，相對功率測量一般用高線性度的專業(yè)測量接收機(jī)來測試，所以總觀測量不確定度可分為絕對測量不確定度和相對不確定度兩個方面。

01絕對功率測量帶來的不確定度

功率電平計量一般分為絕對功率電平計量和相對功率電平計量兩個階段，這里絕對功率測量是指用功率計做絕對功率測量，這也是行業(yè)內(nèi)最常用的計量方式。影響絕對電平測量不確定度的因素包括：噪聲功率，零點(diǎn)漂移，零點(diǎn)偏移，校準(zhǔn)不確定度，線性度，失配性能。

1功率計的噪聲功率

功率計的噪聲功率是影響測試結(jié)果的一個重要指標(biāo)，噪聲在測試小信號的時候要考慮進(jìn)去，而測試大信號帶來的不確定度可以忽略，通常，在信號功率小于-30dBm時候，這個因素就要考慮進(jìn)去。

例1, 測試信號大小為-40nW(-44dBm), 通過手冊得知功率計的噪聲功率為110pW。根據(jù)附錄表格A可以查詢對應(yīng)的校正系數(shù)1.4。通過附錄表格B得到 平均次數(shù)加權(quán)值4, 不確定度公式:

（b）

根據(jù)不確定度公式(b)得到不確定度：

例2, 測試功率為1mW(0dBm)。根據(jù)附錄表格A可以查詢校正系數(shù)3.9。通過附錄表格B得到 平均次數(shù)加權(quán)值64, 根據(jù)公式(b), 此時帶來的不確定度

由此可知，在大信號的情況下，探頭自身的噪聲功率可以忽略不計。當(dāng)信號比較小的時候，信噪比較低，此時噪聲功率帶來的不確定度就要考慮進(jìn)去

2功率計的零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是指當(dāng)沒有信號輸入時，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，工作狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出結(jié)果偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象。

零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移在測試小信號的時候要考慮進(jìn)去，大信號帶來的不確定度可以忽略，通常，在信號功率小于-35dBm時候，這個因素就要考慮進(jìn)去。

例1, 測試信號大小為-40nW(-44dBm), 通過datasheet查詢到的Zero drift為230pw. 根據(jù)附錄表格A可以查詢到校正系數(shù)為1.4，不確定度公式如下：

（a）

根據(jù)公式(a)，計算此時帶來的不確定度為：

例2,測試功率為1mW(0dBm)。根據(jù)附錄表格A可以查詢到校正系數(shù)為3.9, 根據(jù)公式(a), 那么此時帶來的不確定度

此時的零點(diǎn)漂移帶來的不確定度可以忽略。

一般情況下，功率計都有一個zero的功能，這個功能通常能消除（校準(zhǔn)）一部分零點(diǎn)漂移。

3功率計的零點(diǎn)偏移

零點(diǎn)偏移是一個固有的偏移量，當(dāng)沒有輸入信號的時候，對于一個給定的環(huán)境條件，讀出的數(shù)據(jù)會有一個固定的偏移，我們一般稱為零點(diǎn)偏移(Zero offset). Zero offset在測試小信號的時候要考慮進(jìn)去，而測試大信號帶來的不確定度可以忽略，通常，在信號功率小于-35dBm時候，這個因素就要考慮進(jìn)去。

例1, 測試信號大小為-40nW(-44dBm), 通過datasheet查詢到的Zero offset為220pw. 根據(jù)附錄表格A可以查詢校正系數(shù)1.4。根據(jù)不確定度公式：

（c）

那么此時帶來的不確定度

例2，測試功率為1mW(0dBm)，根據(jù)附錄表格A可以查詢校正系數(shù)3.9。那么根據(jù)公式（c）, 此時帶來的不確定度

此時的零點(diǎn)偏移帶來的不確定度可以忽略. 和Zero Drift類似，當(dāng)功率較小是，零點(diǎn)偏移帶來的不確定度要考慮進(jìn)去，當(dāng)功率比較大時，可以忽略。

對于零點(diǎn)漂移和零點(diǎn)偏移，幾乎所有的功率計都需要定期的做歸零，特別是待測信號較小的時候，越接近噪底影響越嚴(yán)重。歸零操作是在沒有信號輸入情況下做的，這相當(dāng)于告訴功率計那些信號是噪聲而不是射頻信號。當(dāng)然，自然界的隨機(jī)噪聲是一直存在的，這些微弱的噪聲不可以消除，不管怎樣，對于改善測量精確度和不確定度，定期的歸零是需要的，特別是功率計在使用相當(dāng)長一段時間后。

4功率計的校準(zhǔn)不確定度

校準(zhǔn)誤差是指功率計測量值和標(biāo)準(zhǔn)值的差別，這包括對同一個功率不同頻率的情況，對功率計而言，很難給出一個理想的準(zhǔn)確值，因?yàn)樵吹墓β适菦]有完全給出理想精度的。校準(zhǔn)不確定度就是來衡量這些指標(biāo)的， 通常，校準(zhǔn)不確定度是在一款功率計出廠時就會給出，譬如datasheet給出的校準(zhǔn)不確定度 0.06dB. U_cal=0.03dB

5功率計的線性度

線性度描述的是在功率計的測量動態(tài)范圍內(nèi)，功率計對功率的相對測量結(jié)果的衡量。這包括溫度，頻率等因素的影響。相對于傳統(tǒng)的接收機(jī)而言，功率計的線性度會遠(yuǎn)優(yōu)于接收機(jī)的線性度。但是為了測量的準(zhǔn)確度，一般功率計計量時候也會包含線性度的計量，譬如，R&S的功率計計量套件NRPC結(jié)合信號源可以計量功率計的線性度，并給出計量結(jié)果，進(jìn)一步可以修正功率計。

通常，功率計的線性度都會在datasheet中給出，譬如datasheet給出的線性度0.02dB. U_ linear=0.01dB

6功率計的失配

在所有的不確定因素中，失配帶來的不確定度相對來說是占比比較大的，一款好的功率測量設(shè)備應(yīng)該具備有一個好的匹配性能，否則，測量不確定度會相應(yīng)的上升

01功率計的測量不確定度模型

圖1. 信號流程圖

由圖1，

（1）

（2）

由(1)(2) 可得：

（3）

（4）

負(fù)載吸收得功率

（5）

由于

的結(jié)果不但會有幅度的疊加，還會有相位的隨機(jī)疊加，這給測試結(jié)果帶來了不確定性，為此，這里給出了最大值和最小值

（6）

（7）

由(6)(7)可知，測量的不確定度主要和兩個反射系數(shù)的乘積，由此可得到不確定度的公式:

（8）

02功率計的不確定度計算

對信號源和功率計而言

（9）

代入(8)

（10）

考慮到分布特性，不確定度計算如下：

（11）

不確定度

? ? ? ? ??反射系數(shù)

信號源的駐波比

功率計的駐波比

這里假如信號源的駐波比

，功率探頭的駐波比

，帶入(11), 此時的不確定度為：

02相對功率測量帶來的不確定度

1接收機(jī)的線性度

在絕對功率校準(zhǔn)后， 下一步就是利用接收機(jī)來測量相對功率，特別是在測量功率很低的時候，這就要在很大程度上依賴接收機(jī)的線性度，線性度的好壞直接影響到測試不確定性的大小。

例如，從dataseet上看到，接收機(jī)采用的Caculated Dynamic range為110dB。那么由此帶來的不確定度

2接收機(jī)的失配

對于失配產(chǎn)生的不確定度，接收機(jī)同樣會面臨著類似前面功率探頭類似的問題，譬如：

對于功率為-110dBm的功率測量，各參數(shù)如下：

經(jīng)過計算得到如下參數(shù)：

不確定度：

3接收機(jī)的失配

對于輸入功率

的信號，假設(shè)此時設(shè)備的噪聲功率

, 測量時間

, 測量帶寬

,設(shè)備的輸入端衰減

, 最小衰減

，測試計算信噪比,假設(shè)平均次數(shù)

, 此時的不確定度：

03整體不確定度的評估

下表列舉了不同狀態(tài)下的不確定度。在接收機(jī)做信號源功率電平計量過程中，功率計作為絕對功率的參考，所以參考功率通常在一個比較高的水平，由前面分析可知，功率計Zero drift, Measurement noise, Zero offset帶來的影響幾乎可以忽略不記，這點(diǎn)從計算結(jié)果也可以明顯看出。影響最大的是探頭的匹配度。在相對功率計量工程中，接收機(jī)影響因素有線性度，匹配程度，噪聲情況的影響。噪聲的影響和計量功率有很大關(guān)系，這里舉例是-110dBm的信號，所以，噪聲影響相對來說占比偏大，但是可以通過增加平均次數(shù)還減小這個影響。從最終結(jié)果可以看出，影響最大的還是匹配度的影響。各部分的具體影響因素如下：

表1：不同因素對不確定度的影響

圖2：不同因素對不確定度的影響

04R&S在信號源計量上的方案

1功率計組件

01功率探頭R&S NRP-50T

R&S NRP功率計探頭因其卓越的精度和速度一直廣受認(rèn)可。R&S NRP-50T熱功率探頭非常適合準(zhǔn)確度要求高的復(fù)雜測量任務(wù)。這些探頭將一流的阻抗匹配與精密的連接器概念相結(jié)合。內(nèi)部校準(zhǔn)測試確保測量可靠且穩(wěn)定。R&S NRP-50T功率計探頭可用作 USB 探頭，還可通過 LAN 進(jìn)行控制。R&S NRP功率計產(chǎn)品系列非常適合生產(chǎn)、研發(fā)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室以及安裝和維護(hù)任務(wù)。

動態(tài)范圍：–35 dBm 至 +20 dBm

頻率范圍：DC 至 50 GHz

通過 USB 和 LAN 控制和監(jiān)測

出色的阻抗匹配

圖3 R&S NRP-50T

02功率探頭R&S NRP-Z37/R&S NRP-Z27

R&S NRP-Z37/R&S NRP-Z27是R&S的一款集成功分器的功率探頭，可以直接在R&S FSMR3000上使用。

頻率覆蓋DC-26.5GHz

具有良好的匹配性能，減小不確定度

圖4 R&S NRP-Z37

03探頭組件

為了測試快捷，方便?；赗&S NRP50T推出了一款探頭組件。該組件采用寬頻帶的功率計R&S NRP50T,功分器，匹配衰減器等，方便用戶測試。

具有良好的匹配性能，減小不確定度

頻率覆蓋DC-50GHz

安裝簡單，考慮實(shí)際應(yīng)用，裝有支撐支點(diǎn)

所有射頻支路采用穩(wěn)幅穩(wěn)相設(shè)計，保證測試一致性

圖5 功率計組件鏈接框圖

2測量接收機(jī)

R&S FSMR3000是一款微波測量接收機(jī)，單機(jī)即可校準(zhǔn)信號發(fā)生器和衰減器。接收機(jī)具備多種重要功能，包括調(diào)諧射頻電平測量、電平測量、模擬調(diào)制和頻譜分析。此外，R&S FSMR3000還可以配備功能強(qiáng)大的高端相位噪聲測試硬件，以完善使用頻譜分析儀的標(biāo)準(zhǔn)相位噪聲測試。儀器具有 80 MHz 分析帶寬，還可以分析數(shù)字和模擬調(diào)制信號、脈沖信號以及 VOR/ILS 信號。作為單機(jī)式儀器，R&S FSMR3000可降低校準(zhǔn)復(fù)雜性。

頻率范圍：2 Hz 至 8/26.5/50 GHz

高精確度電平校準(zhǔn)儀，具有 –152 dBm 至 +30 dBm 的寬電平測量范圍

調(diào)幅/調(diào)頻/調(diào)相和數(shù)字調(diào)制分析儀

功能齊全的信號與頻譜分析儀，最高 80 MHz 分析帶寬

具有互相關(guān)的高端相位噪聲分析儀，1 GHz、10 kHz 偏移時典型值為 –163 dBc/Hz

采用相鄰范圍校準(zhǔn)，避免可能出現(xiàn)的電平誤差。儀器可以在整個電平范圍內(nèi)為用戶提供低于(0.009dB±0.005dB/dB)的一流線性度

具備完整的集成式調(diào)制分析儀可用于調(diào)幅，調(diào)頻和調(diào)相模擬調(diào)制模式

可測量解調(diào)信號的音頻參數(shù)。各種音頻濾波器，去加重功能和檢波器可用于音頻分析

借助選件，這款測量接收機(jī)可轉(zhuǎn)換成功能齊全的信號與頻譜分析儀以測量三階互調(diào)截取點(diǎn)(TOI),高階諧波，噪聲系數(shù)和相位噪聲。

R&S FSMR3-B1接收機(jī)可以分析80MHz數(shù)字調(diào)制信號，脈沖信號和VOR/ILS信號

R&S FSMR3-B60可將R&S FSMR3000測量接收機(jī)轉(zhuǎn)換為功能齊全的相位噪聲分析儀。

圖6 R&S FSMR3000

在衰減器切換過程中，F(xiàn)SMR3K采用的是混疊的衰減器校準(zhǔn),即在不同的Range之間總會有一個重疊的區(qū)域，在衰減器切換前后分別對同一個衰減值做測量，通過設(shè)備上ReCal，可以在兩個Range之間做平滑切換，補(bǔ)償?shù)粽`差,大大降低了測量不確定度：

圖7 衰減器切換

3自動化測量方案

為了高效的信號源計量，R&S提供了一款自動化測試軟件。該軟件嚴(yán)格依據(jù)JJF+1931-2021信號發(fā)生器校準(zhǔn)規(guī)范，對規(guī)范中的測試項(xiàng)目全覆蓋測試。軟件具有開放延展性，用戶可以自定義信號源以及對應(yīng)的控制指令；

圖8 衰減器切換

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。