功率電平計量是信號源計量中一個最重要的環節，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準，在絕對功率測量中，最為準確的設備為功率計，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，這樣帶來的測量不確定度也會相應的減小。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測量接收機來測試，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，這也是行業內最常用的計量方式。影響絕對電平測量不確定度的因素包括：噪聲功率，零點漂移，零點偏移，校準不確定度，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果的一個重要指標，噪聲在測試小信號的時候要考慮進去，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。根據附錄表格A可以查詢對應的校正系數1.4。通過附錄表格B得到 平均次數加權值4, 不確定度公式:

（b）

根據不確定度公式(b)得到不確定度：

例2, 測試功率為1mW(0dBm)。根據附錄表格A可以查詢校正系數3.9。通過附錄表格B得到 平均次數加權值64, 根據公式(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去

2功率計的零點漂移

零點漂移是指當沒有信號輸入時，由于受溫度變化，電源電壓不穩等因素的影響，工作狀態發生變化，導致輸出結果偏離原固定值而上下漂動的現象。

零點漂移零點漂移在測試小信號的時候要考慮進去，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. 根據附錄表格A可以查詢到校正系數為1.4，不確定度公式如下：

（a）

根據公式(a)，計算此時帶來的不確定度為：

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

此時的零點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）一部分零點漂移。

3功率計的零點偏移

零點偏移是一個固有的偏移量，當沒有輸入信號的時候，對于一個給定的環境條件，讀出的數據會有一個固定的偏移，我們一般稱為零點偏移(Zero offset). Zero offset在測試小信號的時候要考慮進去，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. 根據附錄表格A可以查詢校正系數1.4。根據不確定度公式：

（c）

那么此時帶來的不確定度

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

此時的零點偏移帶來的不確定度可以忽略. 和Zero Drift類似，當功率較小是，零點偏移帶來的不確定度要考慮進去，當功率比較大時，可以忽略。

對于零點漂移和零點偏移，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重。歸零操作是在沒有信號輸入情況下做的，這相當于告訴功率計那些信號是噪聲而不是射頻信號。當然，自然界的隨機噪聲是一直存在的，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長一段時間后。

4功率計的校準不確定度

校準誤差是指功率計測量值和標準值的差別，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確值，因為源的功率是沒有完全給出理想精度的。校準不確定度就是來衡量這些指標的， 通常，校準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范圍內，功率計對功率的相對測量結果的衡量。這包括溫度，頻率等因素的影響。相對于傳統的接收機而言，功率計的線性度會遠優于接收機的線性度。但是為了測量的準確度，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結合信號源可以計量功率計的線性度，并給出計量結果，進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備應該具備有一個好的匹配性能，否則，測量不確定度會相應的上升

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）

負載吸收得功率

（5）

由于

的結果不但會有幅度的疊加，還會有相位的隨機疊加，這給測試結果帶來了不確定性，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

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接收機的線性度

在絕對功率校準后， 下一步就是利用接收機來測量相對功率，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，接收機采用的Caculated Dynamic range為110dB。那么由此帶來的不確定度

2接收機的失配

對于失配產生的不確定度，接收機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，各參數如下：

經過計算得到如下參數：

不確定度：

3接收機的失配

對于輸入功率

的信號，假設此時設備的噪聲功率

, 測量時間

, 測量帶寬

,設備的輸入端衰減

, 最小衰減

，測試計算信噪比,假設平均次數

, 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下的不確定度。在接收機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，這點從計算結果也可以明顯看出。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還減小這個影響。從最終結果可以看出，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可。R&S NRP-50T熱功率探頭非常適合準確度要求高的復雜測量任務。這些探頭將一流的阻抗匹配與精密的連接器概念相結合。內部校準測試確保測量可靠且穩定。R&S NRP-50T功率計探頭可用作 USB 探頭，還可通過 LAN 進行控制。R&S NRP功率計產品系列非常適合生產、研發和校準實驗室以及安裝和維護任務。

動態范圍：–35 dBm 至 +20 dBm

頻率范圍：DC 至 50 GHz

通過 USB 和 LAN 控制和監測

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。基于R&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，考慮實際應用，裝有支撐支點

所有射頻支路采用穩幅穩相設計，保證測試一致性

圖5 功率計組件鏈接框圖

2測量接收機

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

頻率范圍：2 Hz 至 8/26.5/50 GHz

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

調幅/調頻/調相和數字調制分析儀

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，避免可能出現的電平誤差。儀器可以在整個電平范圍內為用戶提供低于(0.009dB±0.005dB/dB)的一流線性度

具備完整的集成式調制分析儀可用于調幅，調頻和調相模擬調制模式

可測量解調信號的音頻參數。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，這款測量接收機可轉換成功能齊全的信號與頻譜分析儀以測量三階互調截取點(TOI),高階諧波，噪聲系數和相位噪聲。

R&S FSMR3-B1接收機可以分析80MHz數字調制信號，脈沖信號和VOR/ILS信號

R&S FSMR3-B60可將R&S FSMR3000測量接收機轉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，FSMR3K采用的是混疊的衰減器校準,即在不同的Range之間總會有一個重疊的區域，在衰減器切換前后分別對同一個衰減值做測量，通過設備上ReCal，可以在兩個Range之間做平滑切換，補償掉誤差,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。該軟件嚴格依據JJF+1931-2021信號發生器校準規范，對規范中的測試項目全覆蓋測試。軟件具有開放延展性，用戶可以自定義信號源以及對應的控制指令；

圖8 衰減器切換

羅德與施瓦茨業務涵蓋測試測量、技術系統、網絡與網絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產品和解決方案賦能眾多行業客戶，助其獲得數字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業，公司在全球范圍內獨立、長期、可持續地開展業務。