崔孝海， 李 勇， 張淑溢， 孫偉杰

（1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029； 2.北京交通大學(xué)，北京 100044）

毫米波WR-15（50～75 GHz）國家功率基準(zhǔn)的研制

崔孝海1， 李 勇1， 張淑溢2， 孫偉杰2

（1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029； 2.北京交通大學(xué)，北京 100044）

介紹了一種基于熱敏電阻功率座的對(duì)稱雙線結(jié)構(gòu)的WR-15（50～75 GHz）矩形波導(dǎo)微量熱計(jì)的設(shè)計(jì)及傳遞標(biāo)準(zhǔn)有效效率計(jì)算方法。給出了功率基準(zhǔn)熱電堆測量曲線及該頻段毫米波功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)量值結(jié)果。該微量熱計(jì)將作為我國50～75 GHz毫米波功率基準(zhǔn)，將我國的毫米波功率測量能力提高到75 GHz。

計(jì)量學(xué)；毫米波功率；基準(zhǔn)；微量熱計(jì)

1 引 言

隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波器件及設(shè)備在民用通信、軍用雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、醫(yī)學(xué)成像等多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。毫米波技術(shù)研究及毫米波產(chǎn)品質(zhì)量控制均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(zhǔn)成為重要而緊迫的任務(wù)。

無線電功率是國際計(jì)量局（BIPM）定義的7個(gè)無線電關(guān)鍵參數(shù)（功率、電壓、噪聲、衰減、阻抗S參數(shù)、天線、場強(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足發(fā)展，許多技術(shù)已經(jīng)有產(chǎn)品問世。如毫米波信號(hào)源已經(jīng)突破了110 GHz，毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)突破了無線電頻帶極限300 GHz，進(jìn)入亞毫米波頻段。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際關(guān)鍵比對(duì)，以支撐國際多邊互認(rèn)（MRA）。因此，建立更高頻率的毫米波功率基準(zhǔn)顯得尤為重要。

中國計(jì)量科學(xué)研究院自2006年以來，建立了一系列的毫米波功率基準(zhǔn)，頻率覆蓋到了60 GHz。剛剛完成的WR-22（33～50 GHz）功率基準(zhǔn)正在參加CCEM射頻工作組組織的國際關(guān)鍵比對(duì)，比對(duì)號(hào)CCEM.RF-K25.W，該比對(duì)由德國物理技術(shù)研究院（PTB）主持，全球10個(gè)國家參加，均為無線電工業(yè)發(fā)達(dá)國家。

毫米波功率國家基準(zhǔn)采用量熱技術(shù)，采用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7個(gè)基本單位［1］。本文介紹的WR-15功率基準(zhǔn)頻率范圍為50～75 GHz，用以定標(biāo)WR-15熱敏電阻座的有效效率，它可將我國的無線電功率測量能力提升到75 GHz，定標(biāo)后的功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)可以校準(zhǔn)SMA、N、3.5 mm、2.92 mm、2.4 mm、1.85 mm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，基本滿足我國國內(nèi)無線電工業(yè)和技術(shù)對(duì)功率的測量需求。

2 基準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測量系統(tǒng)

測量系統(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。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)測量，信號(hào)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(jì)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。

圖1 WR-15微量熱計(jì)測量系統(tǒng)

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，基準(zhǔn)將微量熱計(jì)及被測功率座設(shè)計(jì)在密封銅質(zhì)桶內(nèi)，桶懸置在恒溫水槽中。恒溫水槽可以將槽內(nèi)水溫控制在1 mK／℃的水平。由于基準(zhǔn)系統(tǒng)每次重新連接后，一次全頻段測量時(shí)間超過40 h，因此需要有一個(gè)恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)際工作時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度控制在（23±1）℃，濕度控制在（50± 10）%RH。

四線功率計(jì)為電流自平衡式功率計(jì)，不加毫米波功率時(shí)微量熱計(jì)工作端的熱敏電阻座被偏置在約30 mW的直流電平上，穩(wěn)幅控制器通過四線功率計(jì)及穩(wěn)幅參考源之間偏差來控制毫米波信號(hào)源的調(diào)幅，從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。圖1為該功率基準(zhǔn)測量系統(tǒng)示意圖。

2.2 微量熱計(jì)設(shè)計(jì)

微量熱計(jì)設(shè)計(jì)為對(duì)稱雙線結(jié)構(gòu)，見圖2，可分為3部分：毫米波信號(hào)傳輸及傳感部件、對(duì)稱熱參考部件、外圍輔助部件。毫米波信號(hào)傳輸及傳感部件包括輸入波導(dǎo)、工作線（底盤連接器、隔熱波導(dǎo)傳輸線，簡稱“隔熱段”、接觸法蘭、熱敏電阻座）、熱電堆，該部分主要作用是毫米波信號(hào)傳輸、功率吸收及傳感、傳輸熱電勢信號(hào)；對(duì)稱熱參考部件為參考線（由底盤連接器、隔熱段、接觸法蘭、熱敏電阻座組成），與工作線結(jié)構(gòu)一致，該部分主要作用是熱參考。此結(jié)構(gòu)稱為“對(duì)稱雙線”或“孿生雙線”結(jié)構(gòu)；外圍輔助部分包括：底盤、密封圈、桶蓋、導(dǎo)線管、支撐柱、手柄及緊固螺釘?shù)龋摬糠种饕饔檬敲芊?、連接。熱電堆是商用熱耦，將接觸兩端的溫差轉(zhuǎn)換為熱電勢。隔熱段是一段6 mm厚的表面鍍金的ABS塑料材料的矩形波導(dǎo)，把它放置在接觸法蘭和底盤連接器之間。用來提高熱敏電阻座與底盤連接器之間的熱阻，從而提高工作線與參考線之間的溫差，改善熱電堆輸出電壓的信噪比。將工作端及參考端均罩上約0.25 mm厚的鍍金銅罩，用于降低工作端熱敏電阻座的熱輻射。整個(gè)微量熱計(jì)的金屬部件均為導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高的黃銅加工而成。

熱敏電阻座內(nèi)的功率敏感元件為一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻珠，既能吸收直流功率，也能吸收毫米波功率。不加毫米波功率時(shí)，四線功率計(jì)將其平衡為200Ω，加入毫米波信號(hào)后，功率敏感元件阻值因吸收功率而發(fā)生變化，為維持電橋平衡，四線功率計(jì)將自動(dòng)地降低直流功率。這種通過直流功率變化量來表征毫米波功率的方法，稱為直流替代方法。

如上所述，微量熱計(jì)首先要提供一個(gè)確保熱敏電阻座溫度穩(wěn)定且均勻的工作環(huán)境，但由于測量時(shí)間長達(dá)40 h，長期溫度漂移問題較難解決。本微量熱計(jì)采用雙線對(duì)稱結(jié)構(gòu)控制，測量工作端與參考端之間的相對(duì)溫差，能夠有效地抑制基準(zhǔn)長期溫度漂移問題。

3 測量原理

熱敏電阻座的有效效率ηe是通過下式來計(jì)算的［2］

式中，e和v分別為熱電堆和四線功率計(jì)電壓，下標(biāo)“on”和“off”表示毫米波信號(hào)源開和關(guān)的情況；ηun為未修正有效效率；修正因子g是為了修正微量熱計(jì)測量中其它位置（隔熱段、接觸法蘭等）吸收了毫米波功率對(duì)熱電堆的影響

式中，c為微量熱計(jì)中隔熱波導(dǎo)傳輸線損耗的毫米波功率對(duì)熱電堆的影響因子；s為微量熱計(jì)損耗的毫米波功率與熱敏電阻座吸收的凈功率之比。為了確定隔熱波導(dǎo)傳輸線對(duì)熱電堆的影響，可以在接觸法蘭和熱敏電阻座之間放置一個(gè)平整光滑的薄銅片，稱之為短路器，使熱敏電阻座吸收毫米波功率為零，隔熱波導(dǎo)傳輸線單獨(dú)吸收毫米波功率，稱之為短路器測量。

修正因子的計(jì)算式為

圖2 微量熱計(jì)實(shí)物圖

式中，ΓM為功率座的反射系數(shù)；ΓFS為短路器的反射系數(shù)；k1為熱電堆輸出對(duì)于功率的比例因子；PI為入射毫米波功率；eFS為短路器測量時(shí)的熱電堆平衡輸出。

4 測量結(jié)果

圖3為WR-15微量熱計(jì)熱電堆輸出曲線，被測件為某商用50～75 GHz熱敏電阻座。由于受毫米波信號(hào)源的限制，僅做了50～69 GHz頻率范圍測量，頻率間隔為1 GHz。實(shí)驗(yàn)室正積極落實(shí)110 GHz毫米波信號(hào)源，不久即可完成全頻段測量。測量過程的開始和結(jié)束均為關(guān)閉毫米波功率狀態(tài)，中間為測量頻率點(diǎn)掃描過程，頻率點(diǎn)之間切換時(shí)關(guān)閉信號(hào)源30 s，整個(gè)測量采用軟件自動(dòng)控制，并根據(jù)測量記錄自動(dòng)判斷平衡狀態(tài)。平均每個(gè)頻率點(diǎn)測量時(shí)間約85 min，整個(gè)頻段測量時(shí)間近27 h。

圖3 WR-15微量熱計(jì)熱電堆輸出曲線

由圖3可以看出，測量開始及結(jié)束，熱電堆基線比較平坦，27 h漂移不超過0.03‰，說明微量熱計(jì)中溫度非常穩(wěn)定。圖4給出了由測量結(jié)果計(jì)算得到的熱敏電阻座有效效率曲線。通過多次連接測量，有效效率測量值多次（3次以上）連接重復(fù)性優(yōu)于0.3%。

5 結(jié) 論

本文提出了基于對(duì)稱雙線結(jié)構(gòu)的微量熱計(jì)設(shè)計(jì)方法，該微量熱計(jì)將作為我國WR-15（50～75 GHz）毫米波功率基準(zhǔn)。測量結(jié)果表明，該微量熱計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，這種基于熱敏電阻功率座的對(duì)稱雙線結(jié)構(gòu)能夠較好地克服實(shí)驗(yàn)室溫度變化，獲得準(zhǔn)確的有效效率量值，下一步工作是對(duì)整個(gè)微量熱計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定，開展量值傳遞工作，并計(jì)劃參加該頻段的國際比對(duì)。

圖4 WR-15微量熱計(jì)某熱敏電阻座有效效率曲線

［1］ Crowley TP，Cui X H.Design and evaluation of aWR-15（50 to 75 GHz）m icrocalorimeter［C］／／CPEM 2008 Conference，Broom field，Colorado，USA，2008.

［2］ Allen JW，F(xiàn)red R C，Larsen N T，et al.The NIST Microwave Power Standards in Waveguide［R］.NIST Technical Note 1511，1999.

［3］ Cui X H，Crowley T P.Comparison of Experimental Techniques for Evaluating the Correction Factor of a Rectangular Waveguide Microcalorimeter［C］／／IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，Daejeon，Korea，2010.

Design and Development of the WR-15（50～75）GHz Millimeter-wave Power National Primary Standard

CUIXiao-hai1， LIYong1， ZHANG Shu-yi2， SUNWei-jie2
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；
2.Beijing Jiaotong Univercity，Beijing 100044，China）

The design and development technique of a WR-15 microcalorimeter based on a thermistor mount is presented.The microcalorimeter is designed as twn-line structure which can lower the influnece from the laboratory temperature floating.The basic principle of themeasurement is presented too.Them icrocalorimeterwillbe national primary standard ofWR-15（50～75 GHz）m illimeter-wave power.It enhanced China RF power measurement capability up to 75 GHz.

Metrology；Millimeter-wave power；Primary standard；Microcalorimeter

TB973

A

1000-1158（2014）04-0378-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．16

2012-09-11；

2013-05-30

崔孝海（1973－），吉林洮南人，中國計(jì)量科學(xué)研究院副研究員，博士，主要從事微波功率基標(biāo)準(zhǔn)的研究。cuixh＠nim.ac.cn