高頻和微波功率基準及其應用研究----研究背景和名詞解釋

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

為其中，Pb是測輻射熱計的直流替代功率，PL是測輻射熱計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，測量吸收高頻或微波功率后的溫度變化，根據溫度變化得出被測功率的量值。量熱計，測輻射熱計均屬于這一類。

直接測量類型功率計的原理是熱力學第一定律，

即物體溫度的變化與加在其上的總功有關。如果在增加或減少高頻或微波功率的同時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：即測量與功率相關的量如電壓和場強等，再利用其與功率的關系式計算出功率值。熱電式和二極管式功率計以及上文介紹的利用其他物理效應的功率計均屬于這一類。

理論上，只要可以和功率建立聯系的物理量或原理都可以用來測量功率，如近年來又發現的一些新的物理現象，包括電磁場強與銫原子噴泉拉曼振蕩頻率的關系、電磁場強對激光的調制[28]、和用MEMS電容實現的高頻電壓和功率測量。但實際應用時，必須要考慮以下幾點：

1)應與功率是線性關系，或非線性較小。

2)應與功率的聯系穩定，重復性好，受環境影響相對較小。

3)應易于實現，并且能測量較寬頻段的功率。

以上這些現象和效應暫時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用于實際功率測量。

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層次，兩次傳遞過程。

1)功率基準和國際比對：首先，各國根據物理原理建立自己的功率基準，完成對功率量值的復現。然后根據國際互認協議，參加由國際計量局(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，已經先后進行了10次以上的功率國際比對。通過國際比對，各國可以發現彼此功率基準量值間的差異，協調出功率量值的國際參考值。

2)功率基準向量值傳遞系統的傳遞：中間一層是功率量值傳遞系統，計量單位和生產廠家的校準實驗室所使用的量值傳遞裝置均屬于這一層次。傳遞系統內部還有多個級別，最高一級的量值是由國家基準傳遞的，然后逐級向下傳遞。由于國家基準只給出連續波小功率的量值，中功率和脈沖峰值功率等的量值均是在功率傳遞系統這一層實現。

3)量值傳遞系統向工作測量器具的傳遞：最下一層是工作測量器具，它直接用于實際功率測量應用，經過量值傳遞系統內部多級傳遞后，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，一般傳遞的是校準因子，也就是傳遞功率測量的能力，或者說是功率計的特性，而不是功率源的量值。量值傳遞的基本方法是比較法，即比較標準功率計與被校準功率計對同一信號的讀數差異，從而獲得被校準功率計的特性，實現量值傳遞。