1.1課題背景

電子測量存在于科學研究、工業(yè)生產(chǎn)和工程應用中的各個領域，進行電子測量方法的研究具有重要的理論意義和實用價值。制造技術的迅速發(fā)展和社會需求日益增長使得電子產(chǎn)品的應用頻段越來越寬，傳輸信息量越來越大，電子測量的領域和對象也不斷豐富和擴展，出現(xiàn)了時域、頻域和調(diào)制域的劃分，也出現(xiàn)了很多象矢量調(diào)制誤差、誤碼率這樣的新測量對象，但電子測量的基礎依然是基礎參量，只有提高功率等基礎參量的測量準確度才能保證其他應用的準確度。

高頻和微波功率是描述信號大小和信號通過電子系統(tǒng)或傳輸線時能量傳輸特性的量，它是電子計量中最重要的參量之一。在無線電電子技術中常常需要計量發(fā)送設備的輸出功率和接收設備的靈敏度，這就需要計量各種電平的功率。

目前國內(nèi)常用的各種高頻和微波功率測量設備包括各式功率計、頻譜儀、測量接收機等，大量應用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)線和研發(fā)實驗室、國防和通訊行業(yè)的測量等領域。由于我國的實際條件限制，我國無線電計量體系比較復雜，功率量值的傳遞需經(jīng)過多個環(huán)節(jié)，從國家功率基準可能要經(jīng)過一級計量站、二級計量站、三級計量站多級傳遞，最后才能傳遞到最終使用的功率測量儀器。

隨著高新技術，特別是數(shù)字處理技術、巨量存儲技術、寬帶傳輸技術等新技術的高速發(fā)展，科研、國防及工業(yè)的對功率測量的準確度和頻率范圍需求愈來愈高，“失之毫厘，謬以千里”，原有的功率標準和量傳系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足國內(nèi)需求。因此研究建立新的高頻和微波功率基準，開展對量傳系統(tǒng)及其應用的研究，對更好的支持整個無線電計量體系，保證我國高頻和微波功率量值的統(tǒng)一，提高功率測量準確度都有重要的意義和實際價值。

本文力圖從提高功率基準準確度、擴展功率基準頻段、擴大功率量值傳遞范圍、改善功率測量結(jié)果的不確定度評定四方面著手，提高我國的高頻和微波功率測量水平。

課題得到了國家世行貸款科技發(fā)展項目子項目：寬帶（0.01～18GHz）同軸功率基準課題的支持和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局2003年度量值傳遞和質(zhì)量安全專項：高頻和微波功率、衰減傳遞標準及量值溯源系統(tǒng)課題的支持。

1.2高頻和微波功率測量的發(fā)展和現(xiàn)狀

1.2.1高頻和微波功率測量的特點

高頻和微波功率測量是指對高頻和微波頻段，一般是從10MHz起到300GHz，信號功率的測量。

高頻和微波功率的計量單位是瓦（W）及其十進制倍數(shù)，如：皮瓦（pW=10-12 W）、納瓦（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），但應用中常用對數(shù)單位分貝瓦（dBW）和分貝毫瓦（dBmW）表示。dBW是用1W為參考功率電平來表示功率量值大小的以10為底的對數(shù)制單位；dBmW是用1mW為參考功率電平來表示功率量值大小的以10為底的對數(shù)制單位。高頻和微波功率的對數(shù)單位表達式為：

式中，P是以W或mW為單位的功率值。P0是參考功率，單位為W或mW.高頻和微波功率測量按測量目的可以劃分為兩大類：功率本身是被研究的參量。例如，確定雷達裝置的發(fā)射功率或測量放大器的功率壓縮。

為了測量其他參量而進行功率測量。功率是電子測量的基本參量，很多其他參量可以從功率導出，被稱為導出參量，如衰減、阻抗等。象衰減測量中的功率比法，阻抗測量中的六端口反射計法都屬于這類功率測量。

相對于直流和低頻功率測量，高頻和微波功率測量有以下幾個特點：

1）測量的范圍寬：常規(guī)的高頻和微波功率測量，其量程從納瓦到兆瓦，至于實際需要的功率測量量程就更為寬廣，從射電星或宇宙飛船發(fā)回到地面的噪聲及信號功率大多低于10-13 W，而遠程雷達向空間發(fā)射的脈沖功率卻高達10-10 W以上。如前所述，高頻和微波功率測量的頻率通常從10MHz起到300GHz，但通過與電壓比對，高頻和微波功率計的測量范圍可以延伸到直流。

2）傳輸線和接頭型式多：隨著頻率由低到高，電子系統(tǒng)中的傳輸線有雙線、電纜、同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導、介質(zhì)波導等多種類型。每類傳輸線又根據(jù)不同頻段和不同阻抗，有不同的型號、尺寸、規(guī)格。例如，對于常用50歐姆阻抗同軸傳輸線，有不同的接頭形式，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。同軸傳輸線除了50歐姆阻抗系統(tǒng)和接頭，還有75歐姆阻抗系統(tǒng)和接頭。對于傳輸非TEM波的金屬波導系統(tǒng)，又細分為許多截面尺寸不同的波導波段。目前應用最廣泛的是矩形截面金屬波導系統(tǒng)，常用波段有1mm，3mm，8mm，1.25cm，2cm，3cm，5cm和10cm矩形截面。

由于傳輸線和接頭形式多種多樣，除了造成機械連接的復雜性之外，還引起電磁波傳輸?shù)碾姎庑阅艿牡淖兓?。電氣性能的變化對測量的影響，主要表現(xiàn)為電磁泄漏、阻抗失配引起的測量不確定度。

對于如此寬廣的量程和頻段，如此復雜的傳輸線和接頭形式，顯然需要采用不同的測量方法和測量設備，并為此而分別建立相應的計量標準和器具。

1.2.2高頻和微波功率的測量方法和儀器

由于高頻和微波功率測量都是基于將高頻或微波能量轉(zhuǎn)換成熱、力、直流或低頻電量等能量形式然后加以測量的，所以一個功率測量儀器總是由感應、吸收并實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換部分及相應的指示器組成的，一般將功率測量儀器稱為功率計，將能量轉(zhuǎn)換部分稱為功率座、功率探頭或功率敏感器，將相應的指示器稱為功率指示器。其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

目前常見的功率計有以下幾種：

1）量熱計：量熱計是一種測量負載吸收功率后的溫度變化的儀器，根據(jù)直流功率和被測功率所引起溫度變化的不同得出被測功率的量值。根據(jù)吸收功率負載的不同分為流量熱計[9]和干式量熱計[10]。目前除了用于中、大功率測量的流量熱計 ，量熱計很少用作商品功率計。很多國家功率基準采用的是干式量熱計設計，功率范圍在毫瓦量級 。

2）測輻射熱計：測輻射熱計由使用測輻射熱元件座作為功率傳感器而得名。常用的測輻射熱元件有三種，鎮(zhèn)流電阻 、熱變電阻和熱敏電阻。測輻射熱計可以被看作是一種簡化的量熱計，測輻射熱元件在吸收高頻或微波功率導致的溫升下會發(fā)生電阻的變化，這一變化可以被功率指示器中的電橋檢測到。如采用平衡式電橋如惠斯通電橋和四線電阻電橋，則可以根據(jù)測輻射熱元件在吸收高頻或微波功率前后直流功率的變化量計算高頻或微波功率。目前常見的測輻射熱計是熱敏電阻功率計，一般只用于微量熱計式功率基準和量值傳遞而很少用作商品功率計，功率測量范圍一般在（1~10）mW.

3）熱電式功率計：利用熱電效應（塞貝克、珀耳帖和湯姆森效應）測量功率的功率計被稱為熱電式功率計或熱電耦式功率計，根據(jù)熱電元件（熱電偶）位置的不同可以分為自熱式和他熱式兩種 。自熱式熱偶在測量溫度變化的同時，也是吸收高頻或微波功率的負載，靈敏度高，響應時間短，但反射系數(shù)較大，過載能力差，無法測量100 kHz以下的信號功率；他熱式熱偶則是緊靠在吸收負載后面測量負載的溫升，反射系數(shù)較小，過載能力強，可以測量直到直流的信號功率，但靈敏度低于自熱式，響應時間也長[19]。熱電式功率計是最常用的一種商品功率計，功率測量范圍一般在-30dBm～20dBm.

4）二極管式功率計：利用二極管檢波方式測量功率的功率計被稱為二極管式功率計。早期使用的晶體二極管大多為點接觸二極管，由于結(jié)構(gòu)脆弱、一致性差、穩(wěn)定性不好的缺點，僅能作為相對電平的指示，而不能用作絕對功率測量。

隨著半導體工藝水平的提高，已研制成一種新型的晶體二極管—低勢壘肖特基二極管用于二極管式功率計，這種新型的面接觸低勢壘肖特基二極管具有良好的平方律特性[20]。為抑制諧波的影響，目前二極管式功率計均采用對偶二極管結(jié)構(gòu)，這種類似倍壓整流的結(jié)構(gòu)可以有效的抑制二次及更高的偶次諧波。而為了獲得更好的線性度和更寬的功率測量范圍，最新的二極管式功率計采用了二極管級聯(lián)、動態(tài)通道切換和自動修正技術。二極管式功率計也是一種最常用的商品功率計，功率測量范圍一般在-70dBm～20dBm.

5）其他功率計：還有一些利用其他物理效應的功率計，如力學效應功率計、霍爾效應功率計、量子干涉效應功率計和電子注式功率計，只是在很少的實驗室進行功率測量方法的探索性研究時研制過，由于使用條件太苛刻、測量準確度較低或測量范圍太窄等原因，目前已經(jīng)不再使用。

描述商品功率計的主要技術指標包括：功率量程、頻率范圍、功率傳感器的輸入反射系數(shù)、修正因子K等，其中K定義為

其中，Pm是功率指示器的示數(shù)，Pi是功率計的入射功率。

另外，有效效率ηeff和校準因子Kb是專門描述測輻射熱計特性的量值，分別定義

為其中，Pb是測輻射熱計的直流替代功率，PL是測輻射熱計吸收的高頻和微波功率。

按基本測量原理，本文將高頻和微波功率計分為兩類：

1）直接測量類型：即利用高頻或微波功率的熱效應，測量吸收高頻或微波功率后的溫度變化，根據(jù)溫度變化得出被測功率的量值。量熱計，測輻射熱計均屬于這一類。

直接測量類型功率計的原理是熱力學第一定律，

即物體溫度的變化與加在其上的總功有關。如果在增加或減少高頻或微波功率的同時減小或增加直流或低頻功率可以保持物體溫度不變，則高頻或微波功率變化量與直流或低頻功率變化量相等，這是等溫方式；也可以分別改變高頻或微波功率和直流或低頻功率，如果功率變化帶來相同的溫度變化，則說明功率變化量相等，這是升溫方式。這兩種方式都屬于替代測量方式，通過替代將高頻和微波功率的量值溯源到直流功率，進而溯源到基本物理量。圖1-2給出了高頻和微波功率量值到基本物理量的溯源鏈。

2）間接測量：即測量與功率相關的量如電壓和場強等，再利用其與功率的關系式計算出功率值。熱電式和二極管式功率計以及上文介紹的利用其他物理效應的功率計均屬于這一類。

理論上，只要可以和功率建立聯(lián)系的物理量或原理都可以用來測量功率，如近年來又發(fā)現(xiàn)的一些新的物理現(xiàn)象，包括電磁場強與銫原子噴泉拉曼振蕩頻率的關系、電磁場強對激光的調(diào)制[28]、和用MEMS電容實現(xiàn)的高頻電壓和功率測量。但實際應用時，必須要考慮以下幾點：

1）應與功率是線性關系，或非線性較小。

2）應與功率的聯(lián)系穩(wěn)定，重復性好，受環(huán)境影響相對較小。

3）應易于實現(xiàn)，并且能測量較寬頻段的功率。

以上這些現(xiàn)象和效應暫時無法滿足這樣的要求，所以目前只有熱電式和二極管式功率計用于實際功率測量。

1.2.3 高頻和微波功率量值體系

為保證功率量值的準確一致，目前國際上有一套完整的量值體系。

功率量值體系可分為三個層次，兩次傳遞過程。

1）功率基準和國際比對：首先，各國根據(jù)物理原理建立自己的功率基準，完成對功率量值的復現(xiàn)。然后根據(jù)國際互認協(xié)議，參加由國際計量局（BIPM）組織的國際比對。由于高頻和微波功率是非常重要的基本量，無線電參量的首次國際比對就是功率比對。自1950年以來，已經(jīng)先后進行了10次以上的功率國際比對。通過國際比對，各國可以發(fā)現(xiàn)彼此功率基準量值間的差異，協(xié)調(diào)出功率量值的國際參考值。

2）功率基準向量值傳遞系統(tǒng)的傳遞：中間一層是功率量值傳遞系統(tǒng)，計量單位和生產(chǎn)廠家的校準實驗室所使用的量值傳遞裝置均屬于這一層次。傳遞系統(tǒng)內(nèi)部還有多個級別，最高一級的量值是由國家基準傳遞的，然后逐級向下傳遞。由于國家基準只給出連續(xù)波小功率的量值，中功率和脈沖峰值功率等的量值均是在功率傳遞系統(tǒng)這一層實現(xiàn)。

3）量值傳遞系統(tǒng)向工作測量器具的傳遞：最下一層是工作測量器具，它直接用于實際功率測量應用，經(jīng)過量值傳遞系統(tǒng)內(nèi)部多級傳遞后，最終功率量值傳遞給工作測量器具。作為例子，圖1-3給出了我國N型同軸功率量值傳遞的示意圖。

高頻和微波功率量值傳遞和噪聲、衰減等參量的量值傳遞不同，一般傳遞的是校準因子，也就是傳遞功率測量的能力，或者說是功率計的特性，而不是功率源的量值。量值傳遞的基本方法是比較法，即比較標準功率計與被校準功率計對同一信號的讀數(shù)差異，從而獲得被校準功率計的特性，實現(xiàn)量值傳遞。