無線電功率計(jì)量技術(shù)發(fā)展及其國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)*

田　夢(mèng)　李　勇　劉士暄

(1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，葫蘆島 125000；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；3.北京郵電大學(xué)，北京 102600)

0　引言

無線電功率是國(guó)際計(jì)量局(BIPM)定義的七個(gè)無線電關(guān)鍵參數(shù)(功率、衰減、阻抗S參數(shù)、波形參數(shù)、噪聲、天線參數(shù)、場(chǎng)強(qiáng))之一，也是無線電計(jì)量體系中最基本、最重要的關(guān)鍵參數(shù)，其它眾多無線電參數(shù)需要直接或間接溯源到無線電功率。作為無線電技術(shù)的新興領(lǐng)域，毫米波近年來有了長(zhǎng)足發(fā)展，許多技術(shù)已經(jīng)有產(chǎn)品問世。例如，毫米波信號(hào)源已經(jīng)突破了110GHz，毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)突破了無線電頻帶極限300GHz，進(jìn)入亞毫米波頻段。毫米波技術(shù)研究及毫米波產(chǎn)品質(zhì)量控制都離不開毫米波功率測(cè)量，建立相應(yīng)波段的毫米波功率基準(zhǔn)成為計(jì)量工作者重要而緊迫的任務(wù)。國(guó)際計(jì)量局(BIPM)的電磁咨詢委員會(huì)(CCEM)射頻工作組已經(jīng)確定近期開展更多的毫米波功率國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)，以支撐國(guó)際多邊互認(rèn)(MRA)。建立更高頻率的毫米波功率基準(zhǔn)顯得尤為重要。

本文首先介紹了無線電功率基準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成以及關(guān)鍵技術(shù)，然后介紹了我國(guó)無線電功率基準(zhǔn)的發(fā)展?fàn)顩r。介紹了作為國(guó)際計(jì)量局中國(guó)測(cè)量能力的代表，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在無線電功率基準(zhǔn)領(lǐng)域的主要工作和進(jìn)展。由于無線電功率是無線電計(jì)量體系的關(guān)鍵參數(shù)，世界各國(guó)國(guó)家都建立自己的功率基準(zhǔn)，文章介紹了世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家的無線電功率發(fā)展現(xiàn)狀和未來無線電功率基準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。由于國(guó)家測(cè)量能力(CMC)是通過國(guó)際計(jì)量局(BIPM)以國(guó)際比對(duì)為基礎(chǔ)來進(jìn)行確認(rèn)，給出了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院代表中國(guó)參加近期完成的無線電功率國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)情況。

1　無線電功率基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)

毫米波功率國(guó)家基準(zhǔn)采用量熱技術(shù)，即直流與毫米波在相同量熱體上產(chǎn)生相同溫度變化的情況下，建立毫米波功率與直流(或低頻)功率之間的等效關(guān)系，從而以直流(或低頻)功率值來表征毫米波功率值，實(shí)現(xiàn)了毫米波功率溯源到七個(gè)基本單位[1]。我國(guó)的毫米波系列功率基準(zhǔn)頻率范圍為10MHz～75GHz，用以定標(biāo)該頻段熱敏電阻座的有效效率，它可以將我國(guó)的無線電功率測(cè)量能力提升到75GHz，定標(biāo)后的功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)可以校準(zhǔn)SMA、N、3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm等多種同軸形式及WR-42、WR-28、WR-22、WR-19、WR-15等多種矩形波導(dǎo)形式的功率傳感器，基本滿足國(guó)內(nèi)無線電工業(yè)和技術(shù)對(duì)功率的測(cè)量需求。

測(cè)量系統(tǒng)由功率基準(zhǔn)主體-微量熱計(jì)(密封銅桶及內(nèi)部結(jié)構(gòu))、毫米波信號(hào)源、四線功率計(jì)、納伏表及毫米波器件、電纜組成。測(cè)量系統(tǒng)可以定出傳遞標(biāo)準(zhǔn)的有效效率，傳遞標(biāo)準(zhǔn)是商用熱敏電阻座[1-2]。毫米波信號(hào)源為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的信號(hào)激勵(lì)，為避免復(fù)雜的源反射系數(shù)測(cè)量，信號(hào)源系統(tǒng)的末端接有定向耦合器，測(cè)量過程中檢測(cè)其旁臂輸出功率。微量熱計(jì)通過熱敏電阻座座壁溫升的測(cè)量，獲得凈功率中未被替代的那一部分功率值，溫升轉(zhuǎn)化為熱偶的熱電勢(shì)后由納伏表測(cè)得。

為保證功率基準(zhǔn)系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，首先要確保系統(tǒng)的高信噪比。為使功率敏感元件工作在溫度穩(wěn)定、熱傳導(dǎo)分布均勻的工作環(huán)境中，微量熱計(jì)及被測(cè)功率座設(shè)計(jì)在均溫環(huán)境中。圖1為該功率基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖1　無線電功率基準(zhǔn)-微量熱計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

2　我國(guó)無線電功率基準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在1987年研制出12.4～18GHz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％以內(nèi)。同軸基準(zhǔn)頻率范圍為10MHz～18GHz，N型接頭模式，采用的是量熱計(jì)技術(shù)。2008年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)信息電子所研制了8毫米微波功率基準(zhǔn)，采用雙負(fù)載結(jié)構(gòu)的量熱計(jì)，外部采用控溫桶，利用部分替代法測(cè)量微波功率，將波導(dǎo)功率基準(zhǔn)拓寬到40GHz。2012年中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制成功了50GHz微量熱計(jì)毫米波功率基準(zhǔn)，目前，已經(jīng)研制成功50～75GHz毫米波功率基準(zhǔn)(如圖2所示)，并正在進(jìn)行不確定度評(píng)定。

圖2　微量熱計(jì)實(shí)物圖

3　國(guó)外無線電功率基準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各國(guó)的無線電功率測(cè)量能力都有新的發(fā)展，但基本上都是采用熱電轉(zhuǎn)換方式的(微)量熱計(jì)。該方法具有準(zhǔn)確度高，不確定度小等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)2004年成功研制了50GHz同軸微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)，于2008年成功研制了75GHz矩形波導(dǎo)微量熱計(jì)功率基準(zhǔn)[3-4]。日本于2005年研制了40GHz同軸功率基準(zhǔn)，近年開展了110GHz功率基準(zhǔn)研制。德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家計(jì)量院的測(cè)量能力目前基本覆蓋到75GHz。對(duì)于更高頻段，目前受器件限制，很難覆蓋全頻段。圖3為各國(guó)的功率基準(zhǔn)裝置照片。

圖3　國(guó)外典型無線電功率基準(zhǔn)

4　未來發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

目前，世界各國(guó)均在研制更高頻段的功率基準(zhǔn)。其中，日本正在研制170GHz功率基準(zhǔn)。其采用匹配負(fù)載作為功率吸收量熱體，美國(guó)正在研究片上(On Wafer)功率計(jì)量技術(shù)。

更高頻段功率基準(zhǔn)的研制，最關(guān)鍵瓶頸是功率轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計(jì)加工。作為量熱式功率基準(zhǔn)，寬帶、高匹配的熱電轉(zhuǎn)換元件還沒有突破性進(jìn)展。如何分析確定無線電功率熱電轉(zhuǎn)換與直流功率之間的關(guān)系是目前一大難題。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院采用寬帶匹配負(fù)載為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)加工了熱電轉(zhuǎn)換功率傳感器，在更高頻段上可以做進(jìn)一步嘗試。另外，加拿大、日本等國(guó)采用基于量子論技術(shù)，將功率溯源到頻率上。該方法目前測(cè)量不確定度較大，但也是一種積極的探索。

5　毫米波功率國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)

隨著貿(mào)易的全球化，電子國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展迅速，計(jì)量顯得更加重要。提別是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，面臨全球化的市場(chǎng)，產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)結(jié)果要得到其他國(guó)家的承認(rèn)和接受，就必須有準(zhǔn)確可靠的、具有互相接受一致的計(jì)量保障。米制公約為計(jì)量提供了法律框架，國(guó)際比對(duì)為計(jì)量提供了量值等效的技術(shù)基礎(chǔ)，通過國(guó)家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)之間的國(guó)際比對(duì)以及多邊互認(rèn)協(xié)議，支撐了實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可體系，保障了國(guó)際貿(mào)易過程中信息產(chǎn)品認(rèn)證、實(shí)現(xiàn)國(guó)際市場(chǎng)準(zhǔn)入。通過國(guó)際計(jì)量局(BIPM)的電磁委員會(huì)(CCEM)公布了近十年國(guó)際比對(duì)規(guī)劃，比對(duì)內(nèi)容已經(jīng)涉及毫米波、亞毫米波頻段。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院代表中國(guó)于2012年參加了國(guó)際計(jì)量局毫米波功率比對(duì)[5]。共有9個(gè)國(guó)家參加了此次比對(duì)。包括：德國(guó)(PTB)、美國(guó)(NIST)、中國(guó)(NIM)、英國(guó)(NPL)、俄羅斯(VNI)、法國(guó)(LNE)、韓國(guó)(KRISS)、澳大利亞(NMIA)、加拿大(NRC)。其中，有7個(gè)國(guó)家自溯源測(cè)量能力達(dá)到了50GHz。圖4中分別為我國(guó)自主研制的功率基準(zhǔn)和比對(duì)盲樣PTB-1(SN:216，WR-22熱敏電阻式功率座)。通過功率基準(zhǔn)對(duì)功率座的全頻段有效效率進(jìn)行了8次測(cè)量，每次測(cè)量都進(jìn)行了重新裝配連接，并將該功率座在法蘭端面旋轉(zhuǎn)了180°。最后，給出了盲樣的有效效率測(cè)量值，并評(píng)定了測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度。測(cè)量不確定度水平為0.7％(k=2)，居于世界先進(jìn)水平，圖5為部分比對(duì)結(jié)果。圖中中心實(shí)線為盲樣有效效率的參考值，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的豎線寬度為不確定度范圍(k=2)。

圖4　毫米波功率國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)盲樣及測(cè)量裝置

圖5　國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)(33GHz～50GHz)部分比對(duì)結(jié)果

6　結(jié)論

作為無線電計(jì)量體系基本參數(shù)，各國(guó)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都持續(xù)研究無線電功率計(jì)量技術(shù)。其中，采用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的微量熱計(jì)、量熱計(jì)技術(shù)仍然是最準(zhǔn)確、最穩(wěn)定的計(jì)量方法。要想達(dá)到更高頻段的功率測(cè)量能力，面臨來自工藝水平、器件水平的限制。需要解決在更高頻段的寬帶匹配，功率傳感等技術(shù)難題。我國(guó)無線電功率基準(zhǔn)水平在近年來有了很大提升。測(cè)量頻率越來越高，測(cè)量不確定度越來越小，基本滿足了目前國(guó)內(nèi)的溯源需求。通過參加國(guó)際比對(duì)，獲得國(guó)家測(cè)量能力的國(guó)際認(rèn)可。但仍然可以看到，毫米波、太赫茲技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，對(duì)更高頻段的功率溯源將提出了新的挑戰(zhàn)。

[1]Xiaohai Cui and T.P.Crowley，“Comparison of Experimental Techniques for Evaluating the Correction Factor of a Rectangular Waveguide Microcalorimeter” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，v 60，n 7，p 2690-2695，July 2011.

[2]T.P.Crowley，Xiaohai Cui，“Design and Evaluation of a WR-15(50 to 75GHz)Microcalorimeter.CPEM 2008 Conference，Broomfield，CO，USA，June 2008

[3]J.Wayde Allen，F(xiàn)red R.Clague，Neil T.Larsen，and Manly P.Weidman，“NIST Microwave Power Standards in Waveguide”，NIST Technical Note 1511，F(xiàn)eb.1999.

[4]Xiaohai Cui and T.P.Crowley，“Comparison of Experimental Techniques for Evaluating the Correction Factor of a Rectangular Waveguide Microcalorimeter” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，v 60，n 7，p 2690-2695，July 2011

[5]Rolf Judaschke，“CIPM key comparison CCEM.RF-K25.W ‘RF power from 33 to 50 GHz in waveguide’ Technical protocol” Physikalisch-TechnischeBundesanstalt，2011