高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----研究背景和名詞解釋

1.1課題背景

電子測量存在于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用中的各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)行電子測量方法的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。制造技術(shù)的迅速發(fā)展和社會(huì)需求日益增長使得電子產(chǎn)品的應(yīng)用頻段越來越寬，傳輸信息量越來越大，電子測量的領(lǐng)域和對象也不斷豐富和擴(kuò)展，出現(xiàn)了時(shí)域、頻域和調(diào)制域的劃分，也出現(xiàn)了很多象矢量調(diào)制誤差、誤碼率這樣的新測量對象，但電子測量的基礎(chǔ)依然是基礎(chǔ)參量，只有提高功率等基礎(chǔ)參量的測量準(zhǔn)確度才能保證其他應(yīng)用的準(zhǔn)確度。

高頻和微波功率是描述信號大小和信號通過電子系統(tǒng)或傳輸線時(shí)能量傳輸特性的量，它是電子計(jì)量中最重要的參量之一。在無線電電子技術(shù)中常常需要計(jì)量發(fā)送設(shè)備的輸出功率和接收設(shè)備的靈敏度，這就需要計(jì)量各種電平的功率。

目前國內(nèi)常用的各種高頻和微波功率測量設(shè)備包括各式功率計(jì)、頻譜儀、測量接收機(jī)等，大量應(yīng)用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)線和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、國防和通訊行業(yè)的測量等領(lǐng)域。由于我國的實(shí)際條件限制，我國無線電計(jì)量體系比較復(fù)雜，功率量值的傳遞需經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，從國家功率基準(zhǔn)可能要經(jīng)過一級計(jì)量站、二級計(jì)量站、三級計(jì)量站多級傳遞，最后才能傳遞到最終使用的功率測量儀器。

隨著高新技術(shù)，特別是數(shù)字處理技術(shù)、巨量存儲技術(shù)、寬帶傳輸技術(shù)等新技術(shù)的高速發(fā)展，科研、國防及工業(yè)的對功率測量的準(zhǔn)確度和頻率范圍需求愈來愈高，“失之毫厘，謬以千里”，原有的功率標(biāo)準(zhǔn)和量傳系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足國內(nèi)需求。因此研究建立新的高頻和微波功率基準(zhǔn)，開展對量傳系統(tǒng)及其應(yīng)用的研究，對更好的支持整個(gè)無線電計(jì)量體系，保證我國高頻和微波功率量值的統(tǒng)一，提高功率測量準(zhǔn)確度都有重要的意義和實(shí)際價(jià)值。

本文力圖從提高功率基準(zhǔn)準(zhǔn)確度、擴(kuò)展功率基準(zhǔn)頻段、擴(kuò)大功率量值傳遞范圍、改善功率測量結(jié)果的不確定度評定四方面著手，提高我國的高頻和微波功率測量水平。

課題得到了國家世行貸款科技發(fā)展項(xiàng)目子項(xiàng)目：寬帶(0.01～18GHz)同軸功率基準(zhǔn)課題的支持和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局2003年度量值傳遞和質(zhì)量安全專項(xiàng)：高頻和微波功率、衰減傳遞標(biāo)準(zhǔn)及量值溯源系統(tǒng)課題的支持。

1.2高頻和微波功率測量的發(fā)展和現(xiàn)狀

1.2.1高頻和微波功率測量的特點(diǎn)

高頻和微波功率測量是指對高頻和微波頻段，一般是從10MHz起到300GHz，信號功率的測量。

高頻和微波功率的計(jì)量單位是瓦(W)及其十進(jìn)制倍數(shù)，如：皮瓦(pW=10-12 W)、納瓦(nW=10-9 W)、微瓦(uW=10-6 W)、毫瓦(mW=10-3 W)、千瓦(kW=103 W)、兆瓦(MW=106 W)、吉瓦(GW=109 W)，但應(yīng)用中常用對數(shù)單位分貝瓦(dBW)和分貝毫瓦(dBmW)表示。dBW是用1W為參考功率電平來表示功率量值大小的以10為底的對數(shù)制單位;dBmW是用1mW為參考功率電平來表示功率量值大小的以10為底的對數(shù)制單位。高頻和微波功率的對數(shù)單位表達(dá)式為：

式中，P是以W或mW為單位的功率值。P0是參考功率，單位為W或mW.高頻和微波功率測量按測量目的可以劃分為兩大類：功率本身是被研究的參量。例如，確定雷達(dá)裝置的發(fā)射功率或測量放大器的功率壓縮。

為了測量其他參量而進(jìn)行功率測量。功率是電子測量的基本參量，很多其他參量可以從功率導(dǎo)出，被稱為導(dǎo)出參量，如衰減、阻抗等。象衰減測量中的功率比法，阻抗測量中的六端口反射計(jì)法都屬于這類功率測量。

相對于直流和低頻功率測量，高頻和微波功率測量有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)測量的范圍寬：常規(guī)的高頻和微波功率測量，其量程從納瓦到兆瓦，至于實(shí)際需要的功率測量量程就更為寬廣，從射電星或宇宙飛船發(fā)回到地面的噪聲及信號功率大多低于10-13 W，而遠(yuǎn)程雷達(dá)向空間發(fā)射的脈沖功率卻高達(dá)10-10 W以上。如前所述，高頻和微波功率測量的頻率通常從10MHz起到300GHz，但通過與電壓比對，高頻和微波功率計(jì)的測量范圍可以延伸到直流。

2)傳輸線和接頭型式多：隨著頻率由低到高，電子系統(tǒng)中的傳輸線有雙線、電纜、同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導(dǎo)、介質(zhì)波導(dǎo)等多種類型。每類傳輸線又根據(jù)不同頻段和不同阻抗，有不同的型號、尺寸、規(guī)格。例如，對于常用50歐姆阻抗同軸傳輸線，有不同的接頭形式，包括APC-14型、N型/APC-7型、APC3.5型、K型/2.92型和2.4毫米型等。同軸傳輸線除了50歐姆阻抗系統(tǒng)和接頭，還有75歐姆阻抗系統(tǒng)和接頭。對于傳輸非TEM波的金屬波導(dǎo)系統(tǒng)，又細(xì)分為許多截面尺寸不同的波導(dǎo)波段。目前應(yīng)用最廣泛的是矩形截面金屬波導(dǎo)系統(tǒng)，常用波段有1mm，3mm，8mm，1.25cm，2cm，3cm，5cm和10cm矩形截面。

由于傳輸線和接頭形式多種多樣，除了造成機(jī)械連接的復(fù)雜性之外，還引起電磁波傳輸?shù)碾姎庑阅艿牡淖兓?。電氣性能的變化對測量的影響，主要表現(xiàn)為電磁泄漏、阻抗失配引起的測量不確定度。

對于如此寬廣的量程和頻段，如此復(fù)雜的傳輸線和接頭形式，顯然需要采用不同的測量方法和測量設(shè)備，并為此而分別建立相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和器具。

1.2.2高頻和微波功率的測量方法和儀器

由于高頻和微波功率測量都是基于將高頻或微波能量轉(zhuǎn)換成熱、力、直流或低頻電量等能量形式然后加以測量的，所以一個(gè)功率測量儀器總是由感應(yīng)、吸收并實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換部分及相應(yīng)的指示器組成的，一般將功率測量儀器稱為功率計(jì)，將能量轉(zhuǎn)換部分稱為功率座、功率探頭或功率敏感器，將相應(yīng)的指示器稱為功率指示器。其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

目前常見的功率計(jì)有以下幾種：

1)量熱計(jì)：量熱計(jì)是一種測量負(fù)載吸收功率后的溫度變化的儀器，根據(jù)直流功率和被測功率所引起溫度變化的不同得出被測功率的量值。根據(jù)吸收功率負(fù)載的不同分為流量熱計(jì)[9]和干式量熱計(jì)[10]。目前除了用于中、大功率測量的流量熱計(jì) ，量熱計(jì)很少用作商品功率計(jì)。很多國家功率基準(zhǔn)采用的是干式量熱計(jì)設(shè)計(jì)，功率范圍在毫瓦量級 。

2)測輻射熱計(jì)：測輻射熱計(jì)由使用測輻射熱元件座作為功率傳感器而得名。常用的測輻射熱元件有三種，鎮(zhèn)流電阻 、熱變電阻和熱敏電阻。測輻射熱計(jì)可以被看作是一種簡化的量熱計(jì)，測輻射熱元件在吸收高頻或微波功率導(dǎo)致的溫升下會(huì)發(fā)生電阻的變化，這一變化可以被功率指示器中的電橋檢測到。如采用平衡式電橋如惠斯通電橋和四線電阻電橋，則可以根據(jù)測輻射熱元件在吸收高頻或微波功率前后直流功率的變化量計(jì)算高頻或微波功率。目前常見的測輻射熱計(jì)是熱敏電阻功率計(jì)，一般只用于微量熱計(jì)式功率基準(zhǔn)和量值傳遞而很少用作商品功率計(jì)，功率測量范圍一般在(1~10)mW.

3)熱電式功率計(jì)：利用熱電效應(yīng)(塞貝克、珀耳帖和湯姆森效應(yīng))測量功率的功率計(jì)被稱為熱電式功率計(jì)或熱電耦式功率計(jì)，根據(jù)熱電元件(熱電偶)位置的不同可以分為自熱式和他熱式兩種 。自熱式熱偶在測量溫度變化的同時(shí)，也是吸收高頻或微波功率的負(fù)載，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，但反射系數(shù)較大，過載能力差，無法測量100 kHz以下的信號功率;他熱式熱偶則是緊靠在吸收負(fù)載后面測量負(fù)載的溫升，反射系數(shù)較小，過載能力強(qiáng)，可以測量直到直流的信號功率，但靈敏度低于自熱式，響應(yīng)時(shí)間也長[19]。熱電式功率計(jì)是最常用的一種商品功率計(jì)，功率測量范圍一般在-30dBm～20dBm.

4)二極管式功率計(jì)：利用二極管檢波方式測量功率的功率計(jì)被稱為二極管式功率計(jì)。早期使用的晶體二極管大多為點(diǎn)接觸二極管，由于結(jié)構(gòu)脆弱、一致性差、穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)，僅能作為相對電平的指示，而不能用作絕對功率測量。

隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，已研制成一種新型的晶體二極管—低勢壘肖特基二極管用于二極管式功率計(jì)，這種新型的面接觸低勢壘肖特基二極管具有良好的平方律特性[20]。為抑制諧波的影響，目前二極管式功率計(jì)均采用對偶二極管結(jié)構(gòu)，這種類似倍壓整流的結(jié)構(gòu)可以有效的抑制二次及更高的偶次諧波。而為了獲得更好的線性度和更寬的功率測量范圍，最新的二極管式功率計(jì)采用了二極管級聯(lián)、動(dòng)態(tài)通道切換和自動(dòng)修正技術(shù)。二極管式功率計(jì)也是一種最常用的商品功率計(jì)，功率測量范圍一般在-70dBm～20dBm.

5)其他功率計(jì)：還有一些利用其他物理效應(yīng)的功率計(jì)，如力學(xué)效應(yīng)功率計(jì)、霍爾效應(yīng)功率計(jì)、量子干涉效應(yīng)功率計(jì)和電子注式功率計(jì)，只是在很少的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行功率測量方法的探索性研究時(shí)研制過，由于使用條件太苛刻、測量準(zhǔn)確度較低或測量范圍太窄等原因，目前已經(jīng)不再使用。

描述商品功率計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：功率量程、頻率范圍、功率傳感器的輸入反射系數(shù)、修正因子K等，其中K定義為

其中，Pm是功率指示器的示數(shù)，Pi是功率計(jì)的入射功率。[!--empirenews.page--]

另外，有效效率ηeff和校準(zhǔn)因子Kb是專門描述測輻射熱計(jì)特性的量值，分別定義

為其中，Pb是測輻射熱計(jì)的直流替代功率，PL是測輻射熱計(jì)吸收的高頻和微波功率。

按基本測量原理，本文將高頻和微波功率計(jì)分為兩類：

1)直接測量類型：即利用高頻或微波功率的熱效應(yīng)，測量吸收高頻或微波功率后的溫度變化，根據(jù)溫度變化得出被測功率的量值。量熱計(jì)，測輻射熱計(jì)均屬于這一類。

直接測量類型功率計(jì)的原理是熱力學(xué)第一定律，

即物體溫度的變化與加在其上的總功有關(guān)。如果在增加或減少高頻或微波功率的同時(shí)減小或增加直流或低頻功率可以保持物體溫度不變，則高頻或微波功率變化量與直流或低頻功率變化量相等，這是等溫方式;也可以分別改變高頻或微波功率和直流或低頻功率，如果功率變化帶來相同的溫度變化，則說明功率變化量相等，這是升溫方式。這兩種方式都屬于替代測量方式，通過替代將高頻和微波功率的量值溯源到直流功率，進(jìn)而溯源到基本物理量。圖1-2給出了高頻和微波功率量值到基本物理量的溯源鏈。

2)間接測量：即測量與功率相關(guān)的量如電壓和場強(qiáng)等，再利用其與功率的關(guān)系式計(jì)算出功率值。熱電式和二極管式功率計(jì)以及上文介紹的利用其他物理效應(yīng)的功率計(jì)均屬于這一類。

理論上，只要可以和功率建立聯(lián)系的物理量或原理都可以用來測量功率，如近年來又發(fā)現(xiàn)的一些新的物理現(xiàn)象，包括電磁場強(qiáng)與銫原子噴泉拉曼振蕩頻率的關(guān)系、電磁場強(qiáng)對激光的調(diào)制[28]、和用MEMS電容實(shí)現(xiàn)的高頻電壓和功率測量。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須要考慮以下幾點(diǎn)：

1)應(yīng)與功率是線性關(guān)系，或非線性較小。

2)應(yīng)與功率的聯(lián)系穩(wěn)定，重復(fù)性好，受環(huán)境影響相對較小。

3)應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)，并且能測量較寬頻段的功率。

以上這些現(xiàn)象和效應(yīng)暫時(shí)無法滿足這樣的要求，所以目前只有熱電式和二極管式功率計(jì)用于實(shí)際功率測量。

1.2.3 高頻和微波功率量值體系

為保證功率量值的準(zhǔn)確一致，目前國際上有一套完整的量值體系。

功率量值體系可分為三個(gè)層次，兩次傳遞過程。

1)功率基準(zhǔn)和國際比對：首先，各國根據(jù)物理原理建立自己的功率基準(zhǔn)，完成對功率量值的復(fù)現(xiàn)。然后根據(jù)國際互認(rèn)協(xié)議，參加由國際計(jì)量局(BIPM)組織的國際比對。由于高頻和微波功率是非常重要的基本量，無線電參量的首次國際比對就是功率比對。自1950年以來，已經(jīng)先后進(jìn)行了10次以上的功率國際比對。通過國際比對，各國可以發(fā)現(xiàn)彼此功率基準(zhǔn)量值間的差異，協(xié)調(diào)出功率量值的國際參考值。

2)功率基準(zhǔn)向量值傳遞系統(tǒng)的傳遞：中間一層是功率量值傳遞系統(tǒng)，計(jì)量單位和生產(chǎn)廠家的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所使用的量值傳遞裝置均屬于這一層次。傳遞系統(tǒng)內(nèi)部還有多個(gè)級別，最高一級的量值是由國家基準(zhǔn)傳遞的，然后逐級向下傳遞。由于國家基準(zhǔn)只給出連續(xù)波小功率的量值，中功率和脈沖峰值功率等的量值均是在功率傳遞系統(tǒng)這一層實(shí)現(xiàn)。

3)量值傳遞系統(tǒng)向工作測量器具的傳遞：最下一層是工作測量器具，它直接用于實(shí)際功率測量應(yīng)用，經(jīng)過量值傳遞系統(tǒng)內(nèi)部多級傳遞后，最終功率量值傳遞給工作測量器具。作為例子，圖1-3給出了我國N型同軸功率量值傳遞的示意圖。

高頻和微波功率量值傳遞和噪聲、衰減等參量的量值傳遞不同，一般傳遞的是校準(zhǔn)因子，也就是傳遞功率測量的能力，或者說是功率計(jì)的特性，而不是功率源的量值。量值傳遞的基本方法是比較法，即比較標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)與被校準(zhǔn)功率計(jì)對同一信號的讀數(shù)差異，從而獲得被校準(zhǔn)功率計(jì)的特性，實(shí)現(xiàn)量值傳遞。