高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----國(guó)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(zhǔn)：功率基準(zhǔn)用來(lái)復(fù)現(xiàn)功率量值，準(zhǔn)確度最高，如1.2.2所述，一般采用量熱計(jì)或微量熱計(jì)。

a)量熱計(jì)最早的寬帶干式雙負(fù)載量熱計(jì)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確度一般，同軸量熱計(jì)的不確定度為2%，波導(dǎo)量熱計(jì)的不確定度為1%到2.5%.但是，這些設(shè)計(jì)確定了干負(fù)載量熱計(jì)發(fā)展的大體方向。

量熱計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)在于輸入傳輸線和系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，如何準(zhǔn)確測(cè)量出輸入傳輸線的損耗，如何減小外部環(huán)境通過(guò)輸入傳輸線對(duì)量熱計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響，如何在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下盡量縮短系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)一直是量熱計(jì)功率基準(zhǔn)研究的重點(diǎn)。

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

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

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院也在1978年研制了14毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)，基本設(shè)計(jì)與NRC的14毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)相同，使用了環(huán)氧樹(shù)脂表面鍍金來(lái)作內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，并采用了自動(dòng)反饋設(shè)計(jì)。頻率范圍1GHz～8.2GHz，測(cè)量不確定度(0.17～0.26)%。

自1972年以來(lái)，英國(guó)NPL的Fantom和Ascroft等采用了與NRC相似的設(shè)計(jì)，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(jì)，頻率范圍覆蓋(0～50)GHz.這些量熱計(jì)將熱電堆安裝在隔熱傳輸線和負(fù)載之間的位置，從而減少負(fù)載熱傳遞特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并應(yīng)用了反饋電路來(lái)降低其響應(yīng)時(shí)間。此外，使用了表面鍍金的玻璃棒來(lái)作隔熱傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體，表面鍍金的薄壁不銹鋼管作為外導(dǎo)體。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院1963年研制的3厘米波導(dǎo)量熱計(jì)功率基準(zhǔn)是世界上最早的波導(dǎo)量熱計(jì)功率基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)上基本沿用最早的寬帶雙負(fù)載量熱計(jì)設(shè)計(jì)，頻率范圍8.2GHz~12.4GHz，測(cè)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(dǎo)中，銀不僅熱傳導(dǎo)率高，而且單位體積的熱容也更小。溫度傳感器是一個(gè)熱電堆，它用來(lái)感應(yīng)整個(gè)波導(dǎo)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(jì)內(nèi)部不受周?chē)鷾囟炔▌?dòng)影響。由于采用冷熱循環(huán)法而沒(méi)有采用自動(dòng)反饋設(shè)計(jì)，所以讀數(shù)時(shí)間很長(zhǎng)，在1個(gè)半小時(shí)以上。

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

近幾年隨著對(duì)毫米波測(cè)量的溯源需求不斷增加，芬蘭等國(guó)家研制了頻率在110GHz以上的量熱計(jì)功率標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)量不確定度小于2%。

b)微量熱計(jì)：波導(dǎo)量熱計(jì)沒(méi)有被大量用作功率基準(zhǔn)的原因是波導(dǎo)微量熱計(jì)更容易獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。微量熱計(jì)可以看作是量熱計(jì)的一種，負(fù)載是一個(gè)測(cè)輻射熱功率座，測(cè)量的目的是定標(biāo)功率座的有效效率。在測(cè)量結(jié)束后，功率座被移出量熱計(jì)，作為工作標(biāo)準(zhǔn)。和量熱計(jì)相比，量熱計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確評(píng)估出輸入傳輸線的損耗對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如何減小外部環(huán)境通過(guò)輸入傳輸線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1955年美國(guó)NIST的MavPherson和Kerns設(shè)計(jì)的微量熱計(jì)是所有微量熱計(jì)的基礎(chǔ)，這種微量熱計(jì)最初是設(shè)計(jì)用來(lái)改進(jìn)波導(dǎo)鎮(zhèn)流電阻座的有效效率估計(jì)的。如圖1-7所示，由于這種微量熱計(jì)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(gè)誤差來(lái)源，一個(gè)是熱電堆對(duì)測(cè)輻射熱元件和功率座壁熱敏感度的差異，一個(gè)是在測(cè)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(jì)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(jì)時(shí)，通過(guò)研究提出，改變熱電堆的位置有可能進(jìn)一步減小誤差。隨后，1959年美國(guó)NIST的Engen在他的(8-12)GHz的微量熱計(jì)設(shè)計(jì)中做了改進(jìn)，將熱電堆移到與功率座緊密連接的波導(dǎo)法蘭盤(pán)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(cè)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(guó)大多改用熱敏電阻功率座用于微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)。

自1959年以來(lái)，美國(guó)NIST建立了18GHz～110GHz多個(gè)單負(fù)載波導(dǎo)微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)，不確定度在(0.2～0.8)%以?xún)?nèi)，還建立了10MHz～18GHz同軸APC7/N型微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)。在2000年左右用類(lèi)熱敏電阻座建立了50MHz～50GHz同軸2.4 mm接頭微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)。

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

自1972年以來(lái)，英國(guó)NPL研制了一組單負(fù)載波導(dǎo)微量熱計(jì)，在8.2GHz到35GHz之間不確定度為0.1%到0.3%，到110GHz時(shí)，不確定度為0.5% 。

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

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在1987年研制出了(12.4～18)GHz 和(26.5～40)GHz 兩個(gè)單負(fù)載波導(dǎo)微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)，測(cè)量不確定度在0.5%以?xún)?nèi)。

上述微量熱計(jì)的設(shè)計(jì)基本相同，均通過(guò)測(cè)量熱敏電阻功率座壁的溫升來(lái)測(cè)量有效效率。1974年加拿大NRC的Clark研制了第一個(gè)使用反饋電路的自動(dòng)化微量熱計(jì)，它是一個(gè)單負(fù)載微量熱計(jì)，用來(lái)校準(zhǔn)商用波導(dǎo)和同軸熱敏電阻座，其反饋電路用來(lái)對(duì)緊挨著熱電堆放置的輔助加熱器的加熱功率進(jìn)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(jì) 。日本ETL的Inoue等研制了一個(gè)自動(dòng)反饋的微量熱計(jì)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(dòng)反饋設(shè)計(jì)能有效的縮短微量熱計(jì)的讀數(shù)時(shí)間，但卻影響對(duì)輸入傳輸線損耗的準(zhǔn)確評(píng)估，由于在微量熱計(jì)中定標(biāo)后的熱敏電阻功率座作為工作標(biāo)準(zhǔn)使用，其功率測(cè)量的讀數(shù)時(shí)間很短，所以大多數(shù)功率基準(zhǔn)沒(méi)有采用自動(dòng)反饋設(shè)計(jì)。

總結(jié)以往研制的功率基準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，量熱計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：理論完善[59]，測(cè)量誤差來(lái)源少，不確定度評(píng)定簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)是體積過(guò)大，不能用于直接測(cè)量功率，在向下級(jí)傳遞量值時(shí)，所需時(shí)間較長(zhǎng)。微量熱計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：理論上的測(cè)量不確定度比量熱計(jì)小，測(cè)輻射熱座定標(biāo)后可以取出用于直接功率測(cè)量，工作標(biāo)準(zhǔn)在向下級(jí)傳遞量值時(shí)，所需時(shí)間很短，缺點(diǎn)是直接采用量熱計(jì)理論，深入的理論分析少，測(cè)量誤差來(lái)源多，不確定度評(píng)定容易漏項(xiàng)或多項(xiàng)。

2)量值傳遞系統(tǒng)：功率基準(zhǔn)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(zhǔn)的量值向下傳遞，所以功率范圍是由功率基準(zhǔn)決定的，一般在(1～10)mW.實(shí)際使用的傳遞方法歸納起來(lái)有以下幾種：

a)交替比較法：將標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)和被校功率計(jì)連接到穩(wěn)定的微波信號(hào)源上進(jìn)行比較。這種方法引入的測(cè)量不確定度可能較大，但簡(jiǎn)單易行，在測(cè)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(gè)輸出端接一個(gè)參考功率計(jì)，利用參考功率計(jì)的讀數(shù)對(duì)微波信號(hào)源進(jìn)行外穩(wěn)幅，從而在另一個(gè)輸出端口獲得具有低輸出反射系數(shù)的等效信號(hào)源，定向耦合器-參考功率計(jì)組合也被稱(chēng)為功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)。該方法引入了功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)因子的概念，不需標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)也可進(jìn)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)。

c)直接比較法：美國(guó)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(gè)輸出端連接一個(gè)參考功率計(jì)，另一個(gè)輸出端依次連接標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)和被校功率計(jì)，在三端口器件輸入高頻或微波功率時(shí)兩個(gè)功率計(jì)同時(shí)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(shí)讀數(shù)代替信號(hào)源穩(wěn)幅。這種方法適于短期少量的量值傳遞或比對(duì)。

d)反射計(jì)法：采用調(diào)配反射計(jì)、六端口反射計(jì)或改裝的網(wǎng)絡(luò)分析儀，在功率校準(zhǔn)的同時(shí)修正失配誤差，可將失配引起的不確定度降低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量和校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)。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(jì)和等效信號(hào)源的反射系數(shù)，使得定向耦合器法和直接比較法的測(cè)量準(zhǔn)確度提高，所以反射計(jì)法已經(jīng)很少用于量值傳遞。

3)向工作測(cè)量器具的量值傳遞：以往向工作測(cè)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(shí)際使用的工作測(cè)量器具一般是二極管式功率計(jì)和熱電式功率計(jì)，如1.2.2所述，二極管式功率計(jì)的功率量程在(-70～20)dBm，熱電式功率計(jì)在(- 30～20)dBm，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)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(lái)進(jìn)行，功率計(jì)生產(chǎn)廠家如Agilent改用網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)合步進(jìn)衰減器校準(zhǔn)功率計(jì)，國(guó)內(nèi)也有校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室使用步進(jìn)衰減器專(zhuān)門(mén)校準(zhǔn)功率計(jì)在功率量程范圍內(nèi)的線性度，但這些校準(zhǔn)裝置的不確定度較大，導(dǎo)致功率計(jì)在10dBm以上的測(cè)量不確定度大于5%.

4)不確定度評(píng)定：在采用不確定度評(píng)定指南(GUM)以前，對(duì)功率量值準(zhǔn)確度的評(píng)定采用測(cè)量誤差理論，往往會(huì)使合成后的誤差偏大。根據(jù)GUM采用標(biāo)準(zhǔn)差方和根的方法計(jì)算合成不確定度可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題，但由于不確定度評(píng)定時(shí)無(wú)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(duì)于服從U分布的失配誤差，這樣處理會(huì)夸大置信區(qū)間的覆蓋因子，而使合成擴(kuò)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(zhǔn)確統(tǒng)一，要保證或提高實(shí)際功率測(cè)量的準(zhǔn)確度，就需要同時(shí)保證或提高功率基準(zhǔn)、量值傳遞系統(tǒng)和工作測(cè)量器具的準(zhǔn)確度。

總結(jié)當(dāng)前功率量值體系和我國(guó)的實(shí)際情況，可知應(yīng)在以下幾個(gè)方面改進(jìn)我國(guó)功率量值體系：1)研究改進(jìn)微量熱計(jì)的測(cè)量理論：由于微量熱計(jì)理論尚不完備，通過(guò)對(duì)微量熱計(jì)的理論分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)可以提高微量熱計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

2)研制寬帶功率基準(zhǔn)：就我國(guó)功率基準(zhǔn)的情況看，不論從傳輸線型式還是頻率范圍與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距都很大，為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)對(duì)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(zhǔn)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。3)改進(jìn)量值傳遞方法：為提高二極管式功率計(jì)和熱電式功率計(jì)的寬功率量程量值的準(zhǔn)確度，需要改進(jìn)對(duì)二極管式功率計(jì)和熱電式功率計(jì)進(jìn)行量值傳遞的方法和裝置，以有效的提高功率計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度。

4)改進(jìn)不確定度評(píng)定方法：需要改進(jìn)不確定度評(píng)定方法，特別是不確定度的置信因子的計(jì)算方法，從而保證功率測(cè)量結(jié)果不確定度的真實(shí)有效。

1.3本文主要研究?jī)?nèi)容

基于上文對(duì)高頻和微波功率量值體系的分析，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1)根據(jù)熱傳導(dǎo)基本原理，分析微量熱計(jì)中導(dǎo)熱過(guò)程，研究求解溫度等參量的時(shí)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(zhǔn)，填補(bǔ)我國(guó)同軸(0.01GHz～18GHz)頻段功率基準(zhǔn)的空白。

3)分析新型商用功率計(jì)的工作原理，改進(jìn)功率計(jì)測(cè)量和校準(zhǔn)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(jìn)行功率測(cè)量不確定度評(píng)定的差異。

4)研制寬帶同軸功率量值傳遞裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)商用功率計(jì)全功率量程的準(zhǔn)確量值傳遞。