高频和微波功率基准及其应用研究

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1.1课题背景

电子测量存在于科学研究、工业生产和工程应用中的各个领域,进行电子测量方法的研究具有重要的理论意义和实用价值。制造技术的迅速发展和社会需求日益增长使得电子产品的应用频段越来越宽,传输信息量越来越大,电子测量的领域和对象也不断丰富和扩展,出现了时域、频域和调制域的划分,也出现了很多象矢量调制误差、误码率这样的新测量对象,但电子测量的基础依然是基础参量,只有提高功率等基础参量的测量准确度才能保证其他应用的准确度。

高频和微波功率是描述信号大小和信号通过电子系统或传输线时能量传输特性的量,它是电子计量中最重要的参量之一。在无线电电子技术中常常需要计量发送设备的输出功率和接收设备的灵敏度,这就需要计量各种电平的功率。

目前国内常用的各种高频和微波功率测量设备包括各式功率计、频谱仪、测量接收机等,大量应用于电子产品生产线和研发实验室、国防和通讯行业的测量等领域。由于我国的实际条件限制,我国无线电计量体系比较复杂,功率量值的传递需经过多个环节,从国家功率基准可能要经过一级计量站、二级计量站、三级计量站多级传递,最后才能传递到最终使用的功率测量仪器。

随着高新技术,特别是数字处理技术、巨量存储技术、宽带传输技术等新技术的高速发展,科研、国防及工业的对功率测量的准确度和频率范围需求愈来愈高,“失之毫厘,谬以千里”,原有的功率标准和量传系统已经无法满足国内需求。因此研究建立新的高频和微波功率基准,开展对量传系统及其应用的研究,对更好的支持整个无线电计量体系,保证我国高频和微波功率量值的统一,提高功率测量准确度都有重要的意义和实际价值。

本文力图从提高功率基准准确度、扩展功率基准频段、扩大功率量值传递范围、改善功率测量结果的不确定度评定四方面着手,提高我国的高频和微波功率测量水平。

课题得到了国家世行贷款科技发展项目子项目:宽带(0.01~18GHz)同轴功率基准课题的支持和国家质量监督检验检疫总局2003年度量值传递和质量安全专项:高频和微波功率、衰减传递标准及量值溯源系统课题的支持。

1.2高频和微波功率测量的发展和现状

1.2.1高频和微波功率测量的特点

高频和微波功率测量是指对高频和微波频段,一般是从10MHz起到300GHz,信号功率的测量。

高频和微波功率的计量单位是瓦(W)及其十进制倍数,如:皮瓦(pW=10-12 W)、纳瓦(nW=10-9 W)、微瓦(uW=10-6 W)、毫瓦(mW=10-3 W)、千瓦(kW=103 W)、兆瓦(MW=106 W)、吉瓦(GW=109 W),但应用中常用对数单位分贝瓦(dBW)和分贝毫瓦(dBmW)表示。dBW是用1W为参考功率电平来表示功率量值大小的以10为底的对数制单位;dBmW是用1mW为参考功率电平来表示功率量值大小的以10为底的对数制单位。高频和微波功率的对数单位表达式为:

式中,P是以W或mW为单位的功率值。P0是参考功率,单位为W或mW.高频和微波功率测量按测量目的可以划分为两大类:功率本身是被研究的参量。例如,确定雷达装置的发射功率或测量放大器的功率压缩。

为了测量其他参量而进行功率测量。功率是电子测量的基本参量,很多其他参量可以从功率导出,被称为导出参量,如衰减、阻抗等。象衰减测量中的功率比法,阻抗测量中的六端口反射计法都属于这类功率测量。

相对于直流和低频功率测量,高频和微波功率测量有以下几个特点:

1)测量的范围宽:常规的高频和微波功率测量,其量程从纳瓦到兆瓦,至于实际需要的功率测量量程就更为宽广,从射电星或宇宙飞船发回到地面的噪声及信号功率大多低于10-13 W,而远程雷达向空间发射的脉冲功率却高达10-10 W以上。如前所述,高频和微波功率测量的频率通常从10MHz起到300GHz,但通过与电压比对,高频和微波功率计的测量范围可以延伸到直流。

2)传输线和接头型式多:随着频率由低到高,电子系统中的传输线有双线、电缆、同轴线、带状线、微带线、金属波导、介质波导等多种类型。每类传输线又根据不同频段和不同阻抗,有不同的型号、尺寸、规格。例如,对于常用50欧姆阻抗同轴传输线,有不同的接头形式,包括APC-14型、N型/APC-7型、APC3.5型、K型/2.92型和2.4毫米型等。同轴传输线除了50欧姆阻抗系统和接头,还有75欧姆阻抗系统和接头。对于传输非TEM波的金属波导系统,又细分为许多截面尺寸不同的波导波段。目前应用最广泛的是矩形截面金属波导系统,常用波段有1mm,3mm,8mm,1.25cm,2cm,3cm,5cm和10cm矩形截面。

由于传输线和接头形式多种多样,除了造成机械连接的复杂性之外,还引起电磁波传输的电气性能的的变化。电气性能的变化对测量的影响,主要表现为电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。

对于如此宽广的量程和频段,如此复杂的传输线和接头形式,显然需要采用不同的测量方法和测量设备,并为此而分别建立相应的计量标准和器具。

1.2.2高频和微波功率的测量方法和仪器

由于高频和微波功率测量都是基于将高频或微波能量转换成热、力、直流或低频电量等能量形式然后加以测量的,所以一个功率测量仪器总是由感应、吸收并实现能量转换的转换部分及相应的指示器组成的,一般将功率测量仪器称为功率计,将能量转换部分称为功率座、功率探头或功率敏感器,将相应的指示器称为功率指示器。其结构如图1-1所示。

目前常见的功率计有以下几种:

1)量热计:量热计是一种测量负载吸收功率后的温度变化的仪器,根据直流功率和被测功率所引起温度变化的不同得出被测功率的量值。根据吸收功率负载的不同分为流量热计[9]和干式量热计[10]。目前除了用于中、大功率测量的流量热计 ,量热计很少用作商品功率计。很多国家功率基准采用的是干式量热计设计,功率范围在毫瓦量级 。

2)测辐射热计:测辐射热计由使用测辐射热元件座作为功率传感器而得名。常用的测辐射热元件有三种,镇流电阻 、热变电阻和热敏电阻。测辐射热计可以被看作是一种简化的量热计,测辐射热元件在吸收高频或微波功率导致的温升下会发生电阻的变化,这一变化可以被功率指示器中的电桥检测到。如采用平衡式电桥如惠斯通电桥和四线电阻电桥,则可以根据测辐射热元件在吸收高频或微波功率前后直流功率的变化量计算高频或微波功率。目前常见的测辐射热计是热敏电阻功率计,一般只用于微量热计式功率基准和量值传递而很少用作商品功率计,功率测量范围一般在(1~10)mW.

3)热电式功率计:利用热电效应(塞贝克、珀耳帖和汤姆森效应)测量功率的功率计被称为热电式功率计或热电耦式功率计,根据热电元件(热电偶)位置的不同可以分为自热式和他热式两种 。自热式热偶在测量温度变化的同时,也是吸收高频或微波功率的负载,灵敏度高,响应时间短,但反射系数较大,过载能力差,无法测量100 kHz以下的信号功率;他热式热偶则是紧靠在吸收负载后面测量负载的温升,反射系数较小,过载能力强,可以测量直到直流的信号功率,但灵敏度低于自热式,响应时间也长[19]。热电式功率计是最常用的一种商品功率计,功率测量范围一般在-30dBm~20dBm.

4)二极管式功率计:利用二极管检波方式测量功率的功率计被称为二极管式功率计。早期使用的晶体二极管大多为点接触二极管,由于结构脆弱、一致性差、稳定性不好的缺点,仅能作为相对电平的指示,而不能用作绝对功率测量。

随着半导体工艺水平的提高,已研制成一种新型的晶体二极管—低势垒肖特基二极管用于二极管式功率计,这种新型的面接触低势垒肖特基二极管具有良好的平方律特性[20]。为抑制谐波的影响,目前二极管式功率计均采用对偶二极管结构,这种类似倍压整流的结构可以有效的抑制二次及更高的偶次谐波。而为了获得更好的线性度和更宽的功率测量范围,最新的二极管式功率计采用了二极管级联、动态通道切换和自动修正技术。二极管式功率计也是一种最常用的商品功率计,功率测量范围一般在-70dBm~20dBm.

5)其他功率计:还有一些利用其他物理效应的功率计,如力学效应功率计、霍尔效应功率计、量子干涉效应功率计和电子注式功率计,只是在很少的实验室进行功率测量方法的探索性研究时研制过,由于使用条件太苛刻、测量准确度较低或测量范围太窄等原因,目前已经不再使用。

描述商品功率计的主要技术指标包括:功率量程、频率范围、功率传感器的输入反射系数、修正因子K等,其中K定义为

其中,Pm是功率指示器的示数,Pi是功率计的入射功率。

另外,有效效率ηeff和校准因子Kb是专门描述测辐射热计特性的量值,分别定义

为其中,Pb是测辐射热计的直流替代功率,PL是测辐射热计吸收的高频和微波功率。

按基本测量原理,本文将高频和微波功率计分为两类:

1)直接测量类型:即利用高频或微波功率的热效应,测量吸收高频或微波功率后的温度变化,根据温度变化得出被测功率的量值。量热计,测辐射热计均属于这一类。

直接测量类型功率计的原理是热力学第一定律,

即物体温度的变化与加在其上的总功有关。如果在增加或减少高频或微波功率的同时减小或增加直流或低频功率可以保持物体温度不变,则高频或微波功率变化量与直流或低频功率变化量相等,这是等温方式;也可以分别改变高频或微波功率和直流或低频功率,如果功率变化带来相同的温度变化,则说明功率变化量相等,这是升温方式。这两种方式都属于替代测量方式,通过替代将高频和微波功率的量值溯源到直流功率,进而溯源到基本物理量。图1-2给出了高频和微波功率量值到基本物理量的溯源链。

2)间接测量:即测量与功率相关的量如电压和场强等,再利用其与功率的关系式计算出功率值。热电式和二极管式功率计以及上文介绍的利用其他物理效应的功率计均属于这一类。

理论上,只要可以和功率建立联系的物理量或原理都可以用来测量功率,如近年来又发现的一些新的物理现象,包括电磁场强与铯原子喷泉拉曼振荡频率的关系、电磁场强对激光的调制[28]、和用MEMS电容实现的高频电压和功率测量。但实际应用时,必须要考虑以下几点:

1)应与功率是线性关系,或非线性较小。

2)应与功率的联系稳定,重复性好,受环境影响相对较小。

3)应易于实现,并且能测量较宽频段的功率。

以上这些现象和效应暂时无法满足这样的要求,所以目前只有热电式和二极管式功率计用于实际功率测量。

1.2.3 高频和微波功率量值体系

为保证功率量值的准确一致,目前国际上有一套完整的量值体系。

功率量值体系可分为三个层次,两次传递过程。

1)功率基准和国际比对:首先,各国根据物理原理建立自己的功率基准,完成对功率量值的复现。然后根据国际互认协议,参加由国际计量局(BIPM)组织的国际比对。由于高频和微波功率是非常重要的基本量,无线电参量的首次国际比对就是功率比对。自1950年以来,已经先后进行了10次以上的功率国际比对。通过国际比对,各国可以发现彼此功率基准量值间的差异,协调出功率量值的国际参考值。

2)功率基准向量值传递系统的传递:中间一层是功率量值传递系统,计量单位和生产厂家的校准实验室所使用的量值传递装置均属于这一层次。传递系统内部还有多个级别,最高一级的量值是由国家基准传递的,然后逐级向下传递。由于国家基准只给出连续波小功率的量值,中功率和脉冲峰值功率等的量值均是在功率传递系统这一层实现。

3)量值传递系统向工作测量器具的传递:最下一层是工作测量器具,它直接用于实际功率测量应用,经过量值传递系统内部多级传递后,最终功率量值传递给工作测量器具。作为例子,图1-3给出了我国N型同轴功率量值传递的示意图。

高频和微波功率量值传递和噪声、衰减等参量的量值传递不同,一般传递的是校准因子,也就是传递功率测量的能力,或者说是功率计的特性,而不是功率源的量值。量值传递的基本方法是比较法,即比较标准功率计与被校准功率计对同一信号的读数差异,从而获得被校准功率计的特性,实现量值传递。
 

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