高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----研究背景和名詞解釋

另外，有效效率ηeff和校準(zhǔn)因子Kb是專門描述測(cè)輻射熱計(jì)特性的量值，分別定義

為其中，Pb是測(cè)輻射熱計(jì)的直流替代功率，PL是測(cè)輻射熱計(jì)吸收的高頻和微波功率。

按基本測(cè)量原理，本文將高頻和微波功率計(jì)分為兩類：

1)直接測(cè)量類型：即利用高頻或微波功率的熱效應(yīng)，測(cè)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(cè)功率的量值。量熱計(jì)，測(cè)輻射熱計(jì)均屬于這一類。

直接測(cè)量類型功率計(jì)的原理是熱力學(xué)第一定律，

即物體溫度的變化與加在其上的總功有關(guān)。如果在增加或減少高頻或微波功率的同時(shí)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(lái)相同的溫度變化，則說(shuō)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(cè)量方式，通過(guò)替代將高頻和微波功率的量值溯源到直流功率，進(jìn)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(cè)量：即測(cè)量與功率相關(guān)的量如電壓和場(chǎng)強(qiáng)等，再利用其與功率的關(guān)系式計(jì)算出功率值。熱電式和二極管式功率計(jì)以及上文介紹的利用其他物理效應(yīng)的功率計(jì)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(lái)測(cè)量功率，如近年來(lái)又發(fā)現(xiàn)的一些新的物理現(xiàn)象，包括電磁場(chǎng)強(qiáng)與銫原子噴泉拉曼振蕩頻率的關(guān)系、電磁場(chǎng)強(qiáng)對(duì)激光的調(diào)制[28]、和用MEMS電容實(shí)現(xiàn)的高頻電壓和功率測(cè)量。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須要考慮以下幾點(diǎn)：

1)應(yīng)與功率是線性關(guān)系，或非線性較小。

2)應(yīng)與功率的聯(lián)系穩(wěn)定，重復(fù)性好，受環(huán)境影響相對(duì)較小。

3)應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)，并且能測(cè)量較寬頻段的功率。

以上這些現(xiàn)象和效應(yīng)暫時(shí)無(wú)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(jì)用于實(shí)際功率測(cè)量。

1.2.3 高頻和微波功率量值體系

為保證功率量值的準(zhǔn)確一致，目前國(guó)際上有一套完整的量值體系。

功率量值體系可分為三個(gè)層次，兩次傳遞過(guò)程。

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

2)功率基準(zhǔn)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(jì)量單位和生產(chǎn)廠家的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(gè)級(jí)別，最高一級(jí)的量值是由國(guó)家基準(zhǔn)傳遞的，然后逐級(jí)向下傳遞。由于國(guó)家基準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)。

3)量值傳遞系統(tǒng)向工作測(cè)量器具的傳遞：最下一層是工作測(cè)量器具，它直接用于實(shí)際功率測(cè)量應(yīng)用，經(jīng)過(guò)量值傳遞系統(tǒng)內(nèi)部多級(jí)傳遞后，最終功率量值傳遞給工作測(cè)量器具。作為例子，圖1-3給出了我國(guó)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(zhǔn)因子，也就是傳遞功率測(cè)量的能力，或者說(shuō)是功率計(jì)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(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)與被校準(zhǔn)功率計(jì)對(duì)同一信號(hào)的讀數(shù)差異，從而獲得被校準(zhǔn)功率計(jì)的特性，實(shí)現(xiàn)量值傳遞。