田　夢　李　勇　劉士暄

(1.渤海船舶職業(yè)學院機電工程系，葫蘆島 125000；2.中國計量科學研究院，北京 100029；3.北京郵電大學，北京 102600)

0　引言

無線電功率是國際計量局(BIPM)定義的七個無線電關(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)、場強)之一，也是無線電計量體系中最基本、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量，建立相應(yīng)波段的毫米波功率基準成為計量工作者重要而緊迫的任務(wù)。國際計量局(BIPM)的電磁咨詢委員會(CCEM)射頻工作組已經(jīng)確定近期開展更多的毫米波功率國際關(guān)鍵比對，以支撐國際多邊互認(MRA)。建立更高頻率的毫米波功率基準顯得尤為重要。

本文首先介紹了無線電功率基準系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成以及關(guān)鍵技術(shù)，然后介紹了我國無線電功率基準的發(fā)展狀況。介紹了作為國際計量局中國測量能力的代表，中國計量科學研究院在無線電功率基準領(lǐng)域的主要工作和進展。由于無線電功率是無線電計量體系的關(guān)鍵參數(shù)，世界各國國家都建立自己的功率基準，文章介紹了世界主要發(fā)達國家的無線電功率發(fā)展現(xiàn)狀和未來無線電功率基準技術(shù)發(fā)展趨勢。由于國家測量能力(CMC)是通過國際計量局(BIPM)以國際比對為基礎(chǔ)來進行確認，給出了中國計量科學研究院代表中國參加近期完成的無線電功率國際關(guān)鍵比對情況。

1　無線電功率基準測量系統(tǒng)

毫米波功率國家基準采用量熱技術(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，實現(xiàn)了毫米波功率溯源到七個基本單位[1]。我國的毫米波系列功率基準頻率范圍為10MHz～75GHz，用以定標該頻段熱敏電阻座的有效效率，它可以將我國的無線電功率測量能力提升到75GHz，定標后的功率傳遞標準可以校準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等多種矩形波導形式的功率傳感器，基本滿足國內(nèi)無線電工業(yè)和技術(shù)對功率的測量需求。

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

為保證功率基準系統(tǒng)具有良好的重復性、穩(wěn)定性以及準確性，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、熱傳導分布均勻的工作環(huán)境中，微量熱計及被測功率座設(shè)計在均溫環(huán)境中。圖1為該功率基準測量系統(tǒng)示意圖。

圖1　無線電功率基準-微量熱計測量系統(tǒng)

2　我國無線電功率基準發(fā)展現(xiàn)狀

我國在1987年研制出12.4～18GHz單負載波導微量熱計功率基準，測量不確定度在0.5％以內(nèi)。同軸基準頻率范圍為10MHz～18GHz，N型接頭模式，采用的是量熱計技術(shù)。2008年，中國計量科學研究院(NIM)信息電子所研制了8毫米微波功率基準，采用雙負載結(jié)構(gòu)的量熱計，外部采用控溫桶，利用部分替代法測量微波功率，將波導功率基準拓寬到40GHz。2012年中國計量科學研究院研制成功了50GHz微量熱計毫米波功率基準，目前，已經(jīng)研制成功50～75GHz毫米波功率基準(如圖2所示)，并正在進行不確定度評定。

圖2　微量熱計實物圖

3　國外無線電功率基準發(fā)展現(xiàn)狀

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

圖3　國外典型無線電功率基準

4　未來發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)

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

更高頻段功率基準的研制，最關(guān)鍵瓶頸是功率轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計加工。作為量熱式功率基準，寬帶、高匹配的熱電轉(zhuǎn)換元件還沒有突破性進展。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。

中國計量科學研究院采用寬帶匹配負載為基礎(chǔ)，設(shè)計加工了熱電轉(zhuǎn)換功率傳感器，在更高頻段上可以做進一步嘗試。另外，加拿大、日本等國采用基于量子論技術(shù)，將功率溯源到頻率上。該方法目前測量不確定度較大，但也是一種積極的探索。

5　毫米波功率國際關(guān)鍵比對

隨著貿(mào)易的全球化，電子國際貿(mào)易的發(fā)展迅速，計量顯得更加重要。提別是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，面臨全球化的市場，產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)和檢驗結(jié)果要得到其他國家的承認和接受，就必須有準確可靠的、具有互相接受一致的計量保障。米制公約為計量提供了法律框架，國際比對為計量提供了量值等效的技術(shù)基礎(chǔ)，通過國家計量基標準之間的國際比對以及多邊互認協(xié)議，支撐了實驗室認可體系，保障了國際貿(mào)易過程中信息產(chǎn)品認證、實現(xiàn)國際市場準入。通過國際計量局(BIPM)的電磁委員會(CCEM)公布了近十年國際比對規(guī)劃，比對內(nèi)容已經(jīng)涉及毫米波、亞毫米波頻段。

中國計量科學研究院代表中國于2012年參加了國際計量局毫米波功率比對[5]。共有9個國家參加了此次比對。包括：德國(PTB)、美國(NIST)、中國(NIM)、英國(NPL)、俄羅斯(VNI)、法國(LNE)、韓國(KRISS)、澳大利亞(NMIA)、加拿大(NRC)。其中，有7個國家自溯源測量能力達到了50GHz。圖4中分別為我國自主研制的功率基準和比對盲樣PTB-1(SN:216，WR-22熱敏電阻式功率座)。通過功率基準對功率座的全頻段有效效率進行了8次測量，每次測量都進行了重新裝配連接，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量值，并評定了測量結(jié)果的測量不確定度。測量不確定度水平為0.7％(k=2)，居于世界先進水平，圖5為部分比對結(jié)果。圖中中心實線為盲樣有效效率的參考值，每個測量點的豎線寬度為不確定度范圍(k=2)。

圖4　毫米波功率國際關(guān)鍵比對盲樣及測量裝置

圖5　國際關(guān)鍵比對(33GHz～50GHz)部分比對結(jié)果

6　結(jié)論

作為無線電計量體系基本參數(shù)，各國工業(yè)發(fā)達國家都持續(xù)研究無線電功率計量技術(shù)。其中，采用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的微量熱計、量熱計技術(shù)仍然是最準確、最穩(wěn)定的計量方法。要想達到更高頻段的功率測量能力，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。我國無線電功率基準水平在近年來有了很大提升。測量頻率越來越高，測量不確定度越來越小，基本滿足了目前國內(nèi)的溯源需求。通過參加國際比對，獲得國家測量能力的國際認可。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