田　夢　李　勇　劉士暄

(1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院機電工程系，葫蘆島 125000；2.中國計量科學(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(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量，建立相應(yīng)波段的毫米波功率基準(zhǔn)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(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)，然后介紹了我國無線電功率基準(zhǔn)的發(fā)展?fàn)顩r。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(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(zhǔn)，文章介紹了世界主要發(fā)達(dá)國家的無線電功率發(fā)展現(xiàn)狀和未來無線電功率基準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展趨勢。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(jìn)行確認(rèn)，給出了中國計量科學(xué)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(zhǔn)測量系統(tǒng)

毫米波功率國家基準(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(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，它可以將我國的無線電功率測量能力提升到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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的有效效率，傳遞標(biāo)準(zhǔn)是商用熱敏電阻座[1-2]。毫米波信號源為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的信號激勵，為避免復(fù)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(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，微量熱計及被測功率座設(shè)計在均溫環(huán)境中。圖1為該功率基準(zhǔn)測量系統(tǒng)示意圖。

圖1　無線電功率基準(zhǔn)-微量熱計測量系統(tǒng)

2　我國無線電功率基準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在1987年研制出12.4～18GHz單負(fù)載波導(dǎo)微量熱計功率基準(zhǔn)，測量不確定度在0.5％以內(nèi)。同軸基準(zhǔn)頻率范圍為10MHz～18GHz，N型接頭模式，采用的是量熱計技術(shù)。2008年，中國計量科學(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，外部采用控溫桶，利用部分替代法測量微波功率，將波導(dǎo)功率基準(zhǔn)拓寬到40GHz。2012年中國計量科學(xué)研究院研制成功了50GHz微量熱計毫米波功率基準(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)行不確定度評定。

圖2　微量熱計實物圖

3　國外無線電功率基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)，于2008年成功研制了75GHz矩形波導(dǎo)微量熱計功率基準(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、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(zhǔn)裝置照片。

圖3　國外典型無線電功率基準(zhǔn)

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(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，美國正在研究片上(On Wafer)功率計量技術(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。

中國計量科學(xué)研究院采用寬帶匹配負(fù)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(jìn)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(rèn)和接受，就必須有準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)之間的國際比對以及多邊互認(rèn)協(xié)議，支撐了實驗室認(rèn)可體系，保障了國際貿(mào)易過程中信息產(chǎn)品認(rèn)證、實現(xiàn)國際市場準(zhǔn)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(xué)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(dá)到了50GHz。圖4中分別為我國自主研制的功率基準(zhǔn)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(zhǔn)對功率座的全頻段有效效率進(jìn)行了8次測量，每次測量都進(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(jìn)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(dá)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(zhǔn)確、最穩(wěn)定的計量方法。要想達(dá)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(zhǔn)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(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