高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.4量值體系的發(fā)展現(xiàn)狀和不足

目前量值體系的發(fā)展現(xiàn)狀和不足如下：

1)功率基準(zhǔn)：功率基準(zhǔn)用來復(fù)現(xiàn)功率量值，準(zhǔn)確度最高，如1.2.2所述，一般采用量熱計(jì)或微量熱計(jì)。

a)量熱計(jì)最早的寬帶干式雙負(fù)載量熱計(jì)設(shè)計(jì)出現(xiàn)在1958年Sweet等人的論文中，如圖1-4所示。雖然它們的準(zhǔn)確度一般，同軸量熱計(jì)的不確定度為2%，波導(dǎo)量熱計(jì)的不確定度為1%到2.5%.但是，這些設(shè)計(jì)確定了干負(fù)載量熱計(jì)發(fā)展的大體方向。

量熱計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)在于輸入傳輸線和系統(tǒng)時間常數(shù)，如何準(zhǔn)確測量出輸入傳輸線的損耗，如何減小外部環(huán)境通過輸入傳輸線對量熱計(jì)測量結(jié)果的影響，如何在保證測量準(zhǔn)確度的前提下盡量縮短系統(tǒng)時間常數(shù)一直是量熱計(jì)功率基準(zhǔn)研究的重點(diǎn)。

在1966年，加拿大NRC的Jurkus設(shè)計(jì)研制了14毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)，如圖1-5所示，其測量頻率范圍為(0～6)GHz，測量不確定度為0.37%.20世紀(jì)80年代Jurkus又研制了7毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)[34]，其測量頻率范圍為(0～18)GHz，測量不確定度為0.5%.這兩種量熱計(jì)均是雙負(fù)載型，工作負(fù)載和參考負(fù)載放置在一個雙層隔熱鋁屏蔽罩內(nèi)。溫度傳感器是熱電堆，負(fù)載通過金屬薄壁隔熱傳輸線與環(huán)境熱隔離，移去負(fù)載后，可以對隔熱傳輸線的衰減進(jìn)行測量。負(fù)載的外表面是錐形的，這樣可以減少質(zhì)量，從而使時間常數(shù)減小。盡管如此，時間常數(shù)也有2.5分鐘，讀數(shù)時間需要25分鐘。在后期的改進(jìn)中，采取了自動反饋電路，讀數(shù)時間縮短到3分鐘。

隨后1968年，美國NIST的Crawford也研制出了采用類似設(shè)計(jì)的7毫米毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)，頻率范圍0～4GHz，測量不確定度0.35%，使用表面鍍金的玻璃棒來作內(nèi)導(dǎo)體，同樣采取了自動反饋電路使讀數(shù)時間小于3分鐘。圖1-6是自動反饋式量熱計(jì)的示意圖。

中國計(jì)量科學(xué)研究院也在1978年研制了14毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)，基本設(shè)計(jì)與NRC的14毫米精密連接頭同軸量熱計(jì)相同，使用了環(huán)氧樹脂表面鍍金來作內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，并采用了自動反饋設(shè)計(jì)。頻率范圍1GHz～8.2GHz，測量不確定度(0.17～0.26)%。

自1972年以來，英國NPL的Fantom和Ascroft等采用了與NRC相似的設(shè)計(jì)，研制了14毫米、7毫米、3.5毫米和2.4毫米接頭同軸量熱計(jì)，頻率范圍覆蓋(0～50)GHz.這些量熱計(jì)將熱電堆安裝在隔熱傳輸線和負(fù)載之間的位置，從而減少負(fù)載熱傳遞特性對測量結(jié)果的影響，并應(yīng)用了反饋電路來降低其響應(yīng)時間。此外，使用了表面鍍金的玻璃棒來作隔熱傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體，表面鍍金的薄壁不銹鋼管作為外導(dǎo)體。

中國計(jì)量科學(xué)研究院1963年研制的3厘米波導(dǎo)量熱計(jì)功率基準(zhǔn)是世界上最早的波導(dǎo)量熱計(jì)功率基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)上基本沿用最早的寬帶雙負(fù)載量熱計(jì)設(shè)計(jì)，頻率范圍8.2GHz~12.4GHz，測量不確定度為0.28%～0.77%.用蒸發(fā)了電阻膜的玻璃基片作吸收元件，吸收元件安裝在薄壁銀波導(dǎo)中，銀不僅熱傳導(dǎo)率高，而且單位體積的熱容也更小。溫度傳感器是一個熱電堆，它用來感應(yīng)整個波導(dǎo)上的平均溫度。使用雙層隔熱屏蔽罩和塑料鍍銀的隔熱傳輸線使量熱計(jì)內(nèi)部不受周圍溫度波動影響。由于采用冷熱循環(huán)法而沒有采用自動反饋設(shè)計(jì)，所以讀數(shù)時間很長，在1個半小時以上。

20世紀(jì)70年代英國NPL的Yokoshima采用了一種新型的波導(dǎo)量熱計(jì)結(jié)構(gòu)研制了頻率范圍為60GHz到90GHz的波導(dǎo)功率基準(zhǔn)，基準(zhǔn)的測量不確定度為0.7%.在這種量熱計(jì)中，主要的溫度傳感器是一個安置在負(fù)載上的電阻溫度計(jì)，另有一個熱敏電阻作為第二個溫度傳感器安置在負(fù)載的輸入末端，用來修正隔熱傳輸線損耗帶來的熱影響。采用兩個電阻溫度計(jì)的布局，比常規(guī)的布局有更大的自由度，有利于測量直流替代的效率。

近幾年隨著對毫米波測量的溯源需求不斷增加，芬蘭等國家研制了頻率在110GHz以上的量熱計(jì)功率標(biāo)準(zhǔn)，其測量不確定度小于2%。

b)微量熱計(jì)：波導(dǎo)量熱計(jì)沒有被大量用作功率基準(zhǔn)的原因是波導(dǎo)微量熱計(jì)更容易獲得較高的測量準(zhǔn)確度。微量熱計(jì)可以看作是量熱計(jì)的一種，負(fù)載是一個測輻射熱功率座，測量的目的是定標(biāo)功率座的有效效率。在測量結(jié)束后，功率座被移出量熱計(jì)，作為工作標(biāo)準(zhǔn)。和量熱計(jì)相比，量熱計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確評估出輸入傳輸線的損耗對測量結(jié)果的影響，如何減小外部環(huán)境通過輸入傳輸線對測量結(jié)果的影響。

1955年美國NIST的MavPherson和Kerns設(shè)計(jì)的微量熱計(jì)是所有微量熱計(jì)的基礎(chǔ)，這種微量熱計(jì)最初是設(shè)計(jì)用來改進(jìn)波導(dǎo)鎮(zhèn)流電阻座的有效效率估計(jì)的。如圖1-7所示，由于這種微量熱計(jì)在輸入傳輸線與功率座間留有空氣隙，所以不用考慮輸入傳輸線熱損耗的影響。MacPherson和Kerns只考慮了兩個誤差來源，一個是熱電堆對測輻射熱元件和功率座壁熱敏感度的差異，一個是在測熱電阻線中微波和直流功率溫度散布的不同。