自动平衡的射频小电压标准

本文介绍的"自动平衡的射频小电压标准"成功地应用于766厂研制的DO-29型校正接收机中，也可直接用来校准射频电压表及其它无线电设备。

该标准使用了经过改进的镇流电阻座，充分发挥了测量射频小电压的优点；使用了电调衰减器，实现了电桥的自动平衡。因此其技术指标达到了国内先进水平，具有精度高、性能稳定、使用方便、体积、成本低等优点。其主要指标如下：

频率范围：100～1000MHz（DO—29机只要求470～1000MHz）
标准电压：300mV
工作误差：2%
使用条件：+5℃～+35℃

一、工作原理

1、镇流电阻座

镇流电阻片的结构如图1所示，它是由两根细而短（直径1.8～2μm,长2mm）的铂金丝粘结在一个被银的云母片上，其剖面部分是被银的电极，每节铂金丝的直流电阻约为140Ω，记为RT1、RT2。该镇流电阻片装在一个同轴系统的结构中，如图2所示，称之为镇流电阻座。对于镇流电阻RT1、RT2来说，它是垂直置于TEM型场的同轴线中，而且较薄，因此我们认为TEM型波在此结构中传输未受干扰。其中隔直流电容使得镇流电阻上的直流不与射频标准电压一道输出。此电容足够大（6800pf)，故不会使得射频标准电压产生误差。由于结构关系，镇流电阻片所在的截面（称之为标准面）与比较面（即实际使用的标准电压面）有3mm的距离，这将使射频标准电压产生误差。当然在DO-29型校正接收机中可以在输入开关端加长3mm来修正，但作为一个单独的射频小电压标准来说，确是一个系统误差。

我们在使用镇流电阻时，将RT1、RT2并联应用。这样，镇流电阻的一端可以接地，结构简单，电气连接方便，避免了电气悬地时易烧坏的缺点，而且可以承接较大的电流。虽然镇流电阻的灵敏度有所下降，但我们使用的电桥及平衡指示电路的灵敏度很高，故对本电压标准精度无影响。

构成镇流电阻之铂金丝的电阻具有正温度系数。图3中RT、R2、R3、R4构成一个电桥，当电桥上只加有直流电压E1而没有射频电压时，调整R4使电桥平衡，则镇流电阻RT上吸收的电压功率为 （其中RT=RT1//RT2）。

再改变R1，使镇流电阻上的直流电压下降到E2，同时接通射频振荡器，调节R5以控制加在镇流电阻上的射频电压，使电桥第二次平衡。那么我们认为，第一次平衡时镇流电阻上的直流功率和射频功率之和，即有如下关系：

　          (1)

其中：

E1为第一次平衡时镇流电阻上所加的直流电压。

E2为第二次平衡时镇流电阻上所加的直流电压。

Erf为第二次平衡时镇流电阻上所加的射频电压。

由式（1）可得:

       (2)

由式（2）可以看出：如果我们要获得一个预定的射频标准电压，则可以先在电桥上设定一个已知的足够大的直流电压E1（这个直流电压应大于所需的射频标准电压之值），然后根据所需射频标准电压，利用式（2）算出 E2之值，按上述原理第二次平衡时的射频电压就是利用这个关系，取E1=0.7070V，E2=0.6402V，刚输出的射频标准电压。本小电压标准就是利用这个关系，取E1=0.7070V，E2=0.6402V，则输出的射频标准电压Erf=300mV。

为了获得一个精度高的射频标准电压，如果电桥的灵敏度相当高的话，只要将两次直流电压E1、E2精确地测试就可以了。这就是镇流电阻能给出射频标准电压的基础。

2、电路简介

射频小电压标准电原理简图如图4所示。它是由电桥、平衡指示及控制电路、射频振荡器、电调衰减器和镇流电组座组成。射频振荡器应在全频段内输出功率大于25mW，波动不大于6dB，谐波小于26dB，频率范围100～1000MHz（实际频率上限还可提高），在此条件下对射频信号几乎不产生失真，为自动平衡控制提供了条件。镇流电组电桥的原理与前节所述大致相同。

如图4所示，镇流电组座之RT通过电调衰减器与R3、R4、R5组成电桥，电压表CB1指示镇流电组上的直流电压（即前述的E1、E2之值）。第二次平衡时镇流电组上有射频电压，它通过电调衰减器中的L2、C5、C6构成的低通道滤波器，电桥的其余各臂不会再有射频电压。平衡指示电路接在电桥的对角线上，CB2平衡电表指示电桥是否平衡。当直流电压+E接通，开关放在DC时，则直流电压通过R1进入电桥。调节R1和R5就可以使电压表上指示0.7070V，且电桥平衡，此时镇流电组上的电压E1=0.7070V。然后将开关放在AC档，此时将接在电桥A点的电阻R2接地，这显然降低了A点的阻抗，因此A点电压下降，如果调节其阻值恰当的话，便可使镇流电阻上的直流电压为0.6402V。与此同时，射频振荡器的电压加到了电调衰减器，并经过电调衰减器加到了镇流电阻上。可以设想，如果适当地调整电调衰减器的衰减量，可以使得电桥达到第二次平衡。那么，镇流电阻上的射频电压即为我们所需的射频标准电压300mV。平衡指示及控制电路就是完成自动控制电调衰减器，使电桥第二次平衡的电路，电调衰减器的衰减曲线如图5所示。当电桥处在第二次平衡时，图4中B点的输出电压为-Vμο，电调衰减器的衰减量为Bο，射频标准电压为300mV。当镇流电阻上的射频电压不为300mV时，则电桥不平衡。设射频电压高了，则镇流电阻吸收的功率多，电阻较平衡时大，电桥平衡被破坏，平衡表CB2指针将会偏转，同时E在B点上增加一个ΔE电压，即-VB+=-VBO+ΔE，那么电调衰减器的衰减量增大，降低了镇流电阻上的射频电压，直至此射频电压为标准的300mV。同理，如果射频标准电压较300mV低，也可以通过平衡指标及控制电路来实现自动平衡。显然，所构成的自动控制环路应有足够的电调范围和较快的响应速度（或时间）。

二、误差分析

一个电压标准的误差不仅与标准的误差有关，而且与它所构成的测试系统及操作有关。现将本小电压标准的误差作简要的分析。

1、镇流电阻引起的频响误差

1）由于镇流电阻的电感引起的频响误差δf

从图1中可以看出，镇流电阻是由两根短而细的铂金丝构成，在射频应等效为纯电阻和电感的串联。这样一来，镇流电阻的阻抗随频率而变化，使本小电压标准将产生频响误差。当f=500MHz时δf=0.22%，当f=1000MHz时δf=0.85%。

2）由于趋肤效应引起的误差

计算表明，此项误差可予忽视。

2、传输效应误差

镇流电阻座的标准面与比较面有3mm距离，比较面上的电压不是标准面上的标准电压，由此引起的误差称为传输效应误差δ传。当f=1000MHz时，3mm距离引起的误差δ传≈0.2%。

3、由于直流电压E1、E2测量不准引起的误差

从式（2）得知     ，照传统方式，E1、E2的误差方向是不定的，由此引起的误差应为δE。一般来讲，δE为直流电压误差的2倍，但在该小电压标准中，采用了自动平衡及控制电路，该项误差要小得多。引起直流电压不准的原因主要有：

1）测试过程中，操作者在校正直流电压时产生的直流电压误差。本小电压标准不大于0.2%。

2）在整个使用温度范围内（+5℃～+35℃)直流电表指示误差小于±0.2%。

3）接线直流电阻引起的误差为0.228%。

上述三项误差引起的直流电压精度约为0.63%，故δE=0.425%。

4、镇流电阻分辨率引起的误差

该项误差远小于0.1%，可以忽略。

5、射频失真引起的误差

当射频电压的波形失真时，则镇流电阻在工作过程中受到所需的标准电压（即基波）和谐波的"加热"，而送出的标准电压是预定的射频频率电压，即为校正电压，这样一来由于谐波作用便产生误差，其值约为0.1%。

6、由于信号泄漏引起的误差

在本小电压标准中，采用了较为严密的防漏措施，隔离度大于80dB，故此项误差可以忽略。

7、电源稳定性引起的误差

本电压标准要求电源稳定性为0.01%，由此而引起的误差可以忽略。

8、自动平衡及控制电路波纹引起的误差

由于自动平衡及控制电路在控制过程中总有一个动态过程，再则电桥和平衡及控制电路的灵敏度都很高，易受到干扰，因此在电调衰减器的控制端（即图4中的B点）除了控制衰减的直流外还叠加了一个波纹电压，我们将它控制在远小于1mV，故所引起的误差可以忽略。

以上是本小电压标准的误差主要来源。就其误差性质来说，分随机误差和系统误差两种，有的误差是完全可以修正的。我们采用了各项误差绝对值相加的方法，则得1.575%，考虑到大量生产、使用的可靠性和测试（比对）的可能性，故确定本小电压标准精度为2%，由此可见富裕量较大。

三、比对结果

为了验证本标准的精度，我们曾多次用薄膜电阻座进行过比对。我们认为，要获得一个高精度的射频电压标准，电压标准本身的精度要足够高是不言而喻的，然而用来作为比对的射频电压标准的精度，过渡指示器的精度、整个系统的稳定性是非常重要的。

现将78年7月在北京邮电科学研究院计量室用GDB-1直流替代的薄膜电阻座的电压校准装置进行比对的结果列于下表。

四、结束语

我们认为，本小电压标准已达到预定要求，具有精度高、体积小、成本低、性能稳定、使用方便等特点。与国内同类型的射频小电压标准比，达到了先进水平。

本小电压标准不仅可用作DO-29校准接收机的电压标准，而且可以直接校准各种电子测量仪器、设备的射频电压。特别是用来校准电压表，比过去任何校准电压表的装置都方便，速度特快，几分钟即可完成。为适应当前无线电技术迅速发展的需要，我们准备在此基础上，扩展上下频段使用范围，在稳定可靠的基础上提高标准的精度，给出不同量值的小电压标准，作成"电压表校正装置"，以解决当前迫切需要的电压表及其它无线电仪器、设备的射频小电压计量问题。

最后，这一研制工作是在DO-29校准接收机研制小组全体同志的大力配合，帮助下完成的。曾获得中国计量科学研究院无线电室、邮电科学研究院计量室、二机部九院十所、七一O厂和本厂计量室的大力支持和帮助，在此表示感谢。

作者：林春勋 向天明