高頻和微波功率基準及其應用研究----國內外研究現狀

如圖1-7所示，MavPherson和Kerns的設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，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。

上述微量熱計的設計基本相同，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，工作在35GHz，它不僅使用了塞貝克效應制冷元件，也使用了輔助加熱器，如圖1-8所示。

采用自動反饋設計能有效的縮短微量熱計的讀數時間，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，其功率測量的讀數時間很短，所以大多數功率基準沒有采用自動反饋設計。

總結以往研制的功率基準可以發現，量熱計的優點在于：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：功率基準向量值傳遞系統的傳遞以及量值傳遞系統內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中很少使用，但交替比較法是其他方法的基礎。

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對微波信號源進行外穩幅，從而在另一個輸出端口獲得具有低輸出反射系數的等效信號源，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，所以廣泛應用于微波中、小功率量值傳遞，我國功率量值傳遞系統中使用了很多Weinschel生產的功率傳遞標準。

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。直接比較法與定向耦合器法的原理基本相同，區別是用同時讀數代替信號源穩幅。這種方法適于短期少量的量值傳遞或比對。

d)反射計法：采用調配反射計、六端口反射計或改裝的網絡分析儀，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個數量級，但結構復雜，測量和校準時間長。目前由于網絡分析儀的廣泛應用，可以很容易的獲得功率計和等效信號源的反射系數，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合起來進行，功率計生產廠家如Agilent改用網絡分析儀結合步進衰減器校準功率計，國內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狀可以看出，要保證功率量值的準確統一，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、量值傳遞系統和工作測量器具的準確度。

總結當前功率量值體系和我國的實際情況，可知應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達國家的差距都很大，為滿足國內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果不確定度的真實有效。

1.3本文主要研究內容

基于上文對高頻和微波功率量值體系的分析，本文的主要研究內容如下：

1)根據熱傳導基本原理，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和穩態響應的方法。

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，實現對商用功率計全功率量程的準確量值傳遞。