高頻和微波功率基準及其應(yīng)用研究----國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.4量值體系的發(fā)展現(xiàn)狀和不足

目前量值體系的發(fā)展現(xiàn)狀和不足如下：

1)功率基準：功率基準用來復(fù)現(xiàn)功率量值，準確度最高，如1.2.2所述，一般采用量熱計或微量熱計。

a)量熱計最早的寬帶干式雙負載量熱計設(shè)計出現(xiàn)在1958年Sweet等人的論文中，如圖1-4所示。雖然它們的準確度一般，同軸量熱計的不確定度為2%，波導量熱計的不確定度為1%到2.5%.但是，這些設(shè)計確定了干負載量熱計發(fā)展的大體方向。

量熱計的技術(shù)難點在于輸入傳輸線和系統(tǒng)時間常數(shù)，如何準確測量出輸入傳輸線的損耗，如何減小外部環(huán)境通過輸入傳輸線對量熱計測量結(jié)果的影響，如何在保證測量準確度的前提下盡量縮短系統(tǒng)時間常數(shù)一直是量熱計功率基準研究的重點。

在1966年，加拿大NRC的Jurkus設(shè)計研制了14毫米精密連接頭同軸量熱計，如圖1-5所示，其測量頻率范圍為(0～6)GHz，測量不確定度為0.37%.20世紀80年代Jurkus又研制了7毫米精密連接頭同軸量熱計[34]，其測量頻率范圍為(0～18)GHz，測量不確定度為0.5%.這兩種量熱計均是雙負載型，工作負載和參考負載放置在一個雙層隔熱鋁屏蔽罩內(nèi)。溫度傳感器是熱電堆，負載通過金屬薄壁隔熱傳輸線與環(huán)境熱隔離，移去負載后，可以對隔熱傳輸線的衰減進行測量。負載的外表面是錐形的，這樣可以減少質(zhì)量，從而使時間常數(shù)減小。盡管如此，時間常數(shù)也有2.5分鐘，讀數(shù)時間需要25分鐘。在后期的改進中，采取了自動反饋電路，讀數(shù)時間縮短到3分鐘。

隨后1968年，美國NIST的Crawford也研制出了采用類似設(shè)計的7毫米毫米精密連接頭同軸量熱計，頻率范圍0～4GHz，測量不確定度0.35%，使用表面鍍金的玻璃棒來作內(nèi)導體，同樣采取了自動反饋電路使讀數(shù)時間小于3分鐘。圖1-6是自動反饋式量熱計的示意圖。

中國計量科學研究院也在1978年研制了14毫米精密連接頭同軸量熱計，基本設(shè)計與NRC的14毫米精密連接頭同軸量熱計相同，使用了環(huán)氧樹脂表面鍍金來作內(nèi)導體和外導體，并采用了自動反饋設(shè)計。頻率范圍1GHz～8.2GHz，測量不確定度(0.17～0.26)%。

自1972年以來，英國NPL的Fantom和Ascroft等采用了與NRC相似的設(shè)計，研制了14毫米、7毫米、3.5毫米和2.4毫米接頭同軸量熱計，頻率范圍覆蓋(0～50)GHz.這些量熱計將熱電堆安裝在隔熱傳輸線和負載之間的位置，從而減少負載熱傳遞特性對測量結(jié)果的影響，并應(yīng)用了反饋電路來降低其響應(yīng)時間。此外，使用了表面鍍金的玻璃棒來作隔熱傳輸線的內(nèi)導體，表面鍍金的薄壁不銹鋼管作為外導體。

中國計量科學研究院1963年研制的3厘米波導量熱計功率基準是世界上最早的波導量熱計功率基準，設(shè)計上基本沿用最早的寬帶雙負載量熱計設(shè)計，頻率范圍8.2GHz~12.4GHz，測量不確定度為0.28%～0.77%.用蒸發(fā)了電阻膜的玻璃基片作吸收元件，吸收元件安裝在薄壁銀波導中，銀不僅熱傳導率高，而且單位體積的熱容也更小。溫度傳感器是一個熱電堆，它用來感應(yīng)整個波導上的平均溫度。使用雙層隔熱屏蔽罩和塑料鍍銀的隔熱傳輸線使量熱計內(nèi)部不受周圍溫度波動影響。由于采用冷熱循環(huán)法而沒有采用自動反饋設(shè)計，所以讀數(shù)時間很長，在1個半小時以上。

20世紀70年代英國NPL的Yokoshima采用了一種新型的波導量熱計結(jié)構(gòu)研制了頻率范圍為60GHz到90GHz的波導功率基準，基準的測量不確定度為0.7%.在這種量熱計中，主要的溫度傳感器是一個安置在負載上的電阻溫度計，另有一個熱敏電阻作為第二個溫度傳感器安置在負載的輸入末端，用來修正隔熱傳輸線損耗帶來的熱影響。采用兩個電阻溫度計的布局，比常規(guī)的布局有更大的自由度，有利于測量直流替代的效率。

近幾年隨著對毫米波測量的溯源需求不斷增加，芬蘭等國家研制了頻率在110GHz以上的量熱計功率標準，其測量不確定度小于2%。

b)微量熱計：波導量熱計沒有被大量用作功率基準的原因是波導微量熱計更容易獲得較高的測量準確度。微量熱計可以看作是量熱計的一種，負載是一個測輻射熱功率座，測量的目的是定標功率座的有效效率。在測量結(jié)束后，功率座被移出量熱計，作為工作標準。和量熱計相比，量熱計的技術(shù)難點在于如何準確評估出輸入傳輸線的損耗對測量結(jié)果的影響，如何減小外部環(huán)境通過輸入傳輸線對測量結(jié)果的影響。

1955年美國NIST的MavPherson和Kerns設(shè)計的微量熱計是所有微量熱計的基礎(chǔ)，這種微量熱計最初是設(shè)計用來改進波導鎮(zhèn)流電阻座的有效效率估計的。如圖1-7所示，由于這種微量熱計在輸入傳輸線與功率座間留有空氣隙，所以不用考慮輸入傳輸線熱損耗的影響。MacPherson和Kerns只考慮了兩個誤差來源，一個是熱電堆對測輻射熱元件和功率座壁熱敏感度的差異，一個是在測熱電阻線中微波和直流功率溫度散布的不同。

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如圖1-7所示，MavPherson和Kerns的設(shè)計將熱電堆安放在座的外面，1958年日本ETL的Omori和Sakurai [42]在研制他們的微量熱計時，通過研究提出，改變熱電堆的位置有可能進一步減小誤差。隨后，1959年美國NIST的Engen在他的(8-12)GHz的微量熱計設(shè)計中做了改進，將熱電堆移到與功率座緊密連接的波導法蘭盤處。這樣更容易在不妨礙熱電堆工作的前提下，移走功率座，從而減少誤差，測量不確定度小于0.2%.由于鎮(zhèn)流電阻頻率特性差，而熱變電阻靈敏度較低，所以在熱敏電阻功率座出現(xiàn)后，各國大多改用熱敏電阻功率座用于微量熱計功率基準。

自1959年以來，美國NIST建立了18GHz～110GHz多個單負載波導微量熱計功率基準，不確定度在(0.2～0.8)%以內(nèi)，還建立了10MHz～18GHz同軸APC7/N型微量熱計功率基準。在2000年左右用類熱敏電阻座建立了50MHz～50GHz同軸2.4 mm接頭微量熱計功率基準。

自1970年以來，德國PTB建立了8.2～40GHz多個雙負載波導微量熱計功率基準，還建立了10MHz～8GHz(14mm接頭)、10MHz～18GHz(APC7/N)、10MHz～26.5GHz(3.5mm接頭)雙負載同軸微量熱計功率基]。

自1972年以來，英國NPL研制了一組單負載波導微量熱計，在8.2GHz到35GHz之間不確定度為0.1%到0.3%，到110GHz時，不確定度為0.5% 。

自2002年以來，意大利IEN研制了7mm和3.5mm接頭的同軸微量熱計功率基準，不確定度為(0.2~0.5)% 。

中國計量科學研究院在1987年研制出了(12.4～18)GHz 和(26.5～40)GHz 兩個單負載波導微量熱計功率基準，測量不確定度在0.5%以內(nèi)。

上述微量熱計的設(shè)計基本相同，均通過測量熱敏電阻功率座壁的溫升來測量有效效率。1974年加拿大NRC的Clark研制了第一個使用反饋電路的自動化微量熱計，它是一個單負載微量熱計，用來校準商用波導和同軸熱敏電阻座，其反饋電路用來對緊挨著熱電堆放置的輔助加熱器的加熱功率進行控制，保證功率座壁的溫度不變。隨后出現(xiàn)了一些使用制冷元件代替輔助加熱器的微量熱計 。日本ETL的Inoue等研制了一個自動反饋的微量熱計系統(tǒng)，工作在35GHz，它不僅使用了塞貝克效應(yīng)制冷元件，也使用了輔助加熱器，如圖1-8所示。

采用自動反饋設(shè)計能有效的縮短微量熱計的讀數(shù)時間，但卻影響對輸入傳輸線損耗的準確評估，由于在微量熱計中定標后的熱敏電阻功率座作為工作標準使用，其功率測量的讀數(shù)時間很短，所以大多數(shù)功率基準沒有采用自動反饋設(shè)計。

總結(jié)以往研制的功率基準可以發(fā)現(xiàn)，量熱計的優(yōu)點在于：理論完善[59]，測量誤差來源少，不確定度評定簡單可靠，缺點是體積過大，不能用于直接測量功率，在向下級傳遞量值時，所需時間較長。微量熱計的優(yōu)點在于：理論上的測量不確定度比量熱計小，測輻射熱座定標后可以取出用于直接功率測量，工作標準在向下級傳遞量值時，所需時間很短，缺點是直接采用量熱計理論，深入的理論分析少，測量誤差來源多，不確定度評定容易漏項或多項。

2)量值傳遞系統(tǒng)：功率基準向量值傳遞系統(tǒng)的傳遞以及量值傳遞系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞是將功率基準的量值向下傳遞，所以功率范圍是由功率基準決定的，一般在(1～10)mW.實際使用的傳遞方法歸納起來有以下幾種：

a)交替比較法：將標準功率計和被校功率計連接到穩(wěn)定的微波信號源上進行比較。這種方法引入的測量不確定度可能較大，但簡單易行，在測量不確定度要求不高的情況下廣泛采用，大功率和脈沖功率量值傳遞也可以采用。雖然在量值傳遞系統(tǒng)中很少使用，但交替比較法是其他方法的基礎(chǔ)。

b)定向耦合器法：定向耦合器法是由Weinschel在交替比較法的基礎(chǔ)上提出的。是在定向耦合器(或兩電阻功率分配器)的一個輸出端接一個參考功率計，利用參考功率計的讀數(shù)對微波信號源進行外穩(wěn)幅，從而在另一個輸出端口獲得具有低輸出反射系數(shù)的等效信號源，定向耦合器-參考功率計組合也被稱為功率傳遞標準。該方法引入了功率傳遞標準校準因子的概念，不需標準功率計也可進行量值傳遞，所以廣泛應(yīng)用于微波中、小功率量值傳遞，我國功率量值傳遞系統(tǒng)中使用了很多Weinschel生產(chǎn)的功率傳遞標準。

c)直接比較法：美國NIST在交替比較法的基礎(chǔ)上，提出了直接比較法。是在已知特性的三端口器件，如功率分配器、定向耦合器的一個輸出端連接一個參考功率計，另一個輸出端依次連接標準功率計和被校功率計，在三端口器件輸入高頻或微波功率時兩個功率計同時讀數(shù)。直接比較法與定向耦合器法的原理基本相同，區(qū)別是用同時讀數(shù)代替信號源穩(wěn)幅。這種方法適于短期少量的量值傳遞或比對。

d)反射計法：采用調(diào)配反射計、六端口反射計或改裝的網(wǎng)絡(luò)分析儀，在功率校準的同時修正失配誤差，可將失配引起的不確定度降低1-2個數(shù)量級，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量和校準時間長。目前由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的廣泛應(yīng)用，可以很容易的獲得功率計和等效信號源的反射系數(shù)，使得定向耦合器法和直接比較法的測量準確度提高，所以反射計法已經(jīng)很少用于量值傳遞。

3)向工作測量器具的量值傳遞：以往向工作測量器具的量值傳遞也采用上文所述的幾種方法，功率范圍一般在(1～10)mW。但目前實際使用的工作測量器具一般是二極管式功率計和熱電式功率計，如1.2.2所述，二極管式功率計的功率量程在(-70～20)dBm，熱電式功率計在(- 30～20)dBm，都遠遠超出了以往量值傳遞的功率范圍，如果依然使用以往的量傳方法，則不能保證在量傳的功率量程以外的功率量值。從理論上分析可知，向工作測量器具的量值傳遞需要功率量值傳遞與衰減量值傳遞結(jié)合起來進行，功率計生產(chǎn)廠家如Agilent改用網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)合步進衰減器校準功率計，國內(nèi)也有校準實驗室使用步進衰減器專門校準功率計在功率量程范圍內(nèi)的線性度，但這些校準裝置的不確定度較大，導致功率計在10dBm以上的測量不確定度大于5%.

4)不確定度評定：在采用不確定度評定指南(GUM)以前，對功率量值準確度的評定采用測量誤差理論，往往會使合成后的誤差偏大。根據(jù)GUM采用標準差方和根的方法計算合成不確定度可以較好的解決這個問題，但由于不確定度評定時無法獲得不確定度的概率分布信息，一般只能按正態(tài)分布或t分布處理，對于服從U分布的失配誤差，這樣處理會夸大置信區(qū)間的覆蓋因子，而使合成擴展不確定度偏大。

從以上綜述的功率量值體系現(xiàn)狀可以看出，要保證功率量值的準確統(tǒng)一，要保證或提高實際功率測量的準確度，就需要同時保證或提高功率基準、量值傳遞系統(tǒng)和工作測量器具的準確度。

總結(jié)當前功率量值體系和我國的實際情況，可知應(yīng)在以下幾個方面改進我國功率量值體系：1)研究改進微量熱計的測量理論：由于微量熱計理論尚不完備，通過對微量熱計的理論分析和設(shè)計改進可以提高微量熱計的測量準確度。

2)研制寬帶功率基準：就我國功率基準的情況看，不論從傳輸線型式還是頻率范圍與發(fā)達國家的差距都很大，為滿足國內(nèi)對寬頻段功率量值傳遞的迫切要求，急需研制寬帶同軸功率基準，填補國內(nèi)空白。3)改進量值傳遞方法：為提高二極管式功率計和熱電式功率計的寬功率量程量值的準確度，需要改進對二極管式功率計和熱電式功率計進行量值傳遞的方法和裝置，以有效的提高功率計測量準確度。

4)改進不確定度評定方法：需要改進不確定度評定方法，特別是不確定度的置信因子的計算方法，從而保證功率測量結(jié)果不確定度的真實有效。

1.3本文主要研究內(nèi)容

基于上文對高頻和微波功率量值體系的分析，本文的主要研究內(nèi)容如下：

1)根據(jù)熱傳導基本原理，分析微量熱計中導熱過程，研究求解溫度等參量的時間函數(shù)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法。

2)研制寬帶同軸功率基準，填補我國同軸(0.01GHz～18GHz)頻段功率基準的空白。

3)分析新型商用功率計的工作原理，改進功率計測量和校準的描述模型，比較傳統(tǒng)的不確定度傳播律和蒙特卡羅方法進行功率測量不確定度評定的差異。

4)研制寬帶同軸功率量值傳遞裝置，實現(xiàn)對商用功率計全功率量程的準確量值傳遞。