高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----微量熱計(jì)基本理論研究(三)
2.4.2.3有效效率偏差被忽略的原因
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/175459.htm由式(2-40)可見,有效效率和效率的偏差由G21/G10決定,雖然不可能精確測得熱導(dǎo)值,但采用下面的方法可以近似估計(jì)G21/G10。
和量熱計(jì)一樣,熱電堆對熱敏電阻處功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)K2和熱電堆對功率座壁處功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)K1可表示為
其中,e2和e1分別是熱電堆對熱敏電阻處功率P2和功率座壁處功率P1的輸出電壓。根據(jù)式(2-45),可實(shí)際測量得到K2和K1的值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱電堆對不同位置功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)不同,K2略大于K1。
由于熱電堆的輸出電壓正比于溫度變化,由式(2-33)和(2-41)可知,K2、K1可用G21、G10表示,即
以往的研究和實(shí)驗(yàn)表明,對波導(dǎo)熱敏電阻座,K2和K1的差異在0.1%以內(nèi) ,考慮到測量誤差,可以近似估計(jì)G21/G10小于0.5%,波導(dǎo)熱敏電阻座的效率一般大于95%,當(dāng)效率為95%時(shí),根據(jù)式(2-40)計(jì)算的有效效率與效率偏差小于0.025%,而波導(dǎo)微量熱計(jì)有效效率的測量誤差一般大于0.2%,所以一直沒有發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)偏差,波導(dǎo)微量熱計(jì)理論中沒有考慮這一偏差的影響。
同軸微量熱計(jì)是在波導(dǎo)微量熱計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,同樣沒有考慮到這一偏差。對N型同軸熱敏電阻座,K2和K1的差異在1%以內(nèi) ,可以近似估計(jì)G21/G10小于2%,N型同軸熱敏電阻座的效率一般大于95%,當(dāng)效率為95%時(shí),有效效率與效率偏差在0.1%以內(nèi),而N型同軸微量熱計(jì)的測量誤差在0.5%左右,很難發(fā)現(xiàn)偏差。
實(shí)際上,由于一直錯(cuò)誤的認(rèn)為Psub = P2RF,即直流替代功率等于熱敏電阻吸收的高頻和微波功率,所以以往的微量熱計(jì)的有效效率計(jì)算式為
由式(2-37)和(2-47)比較可知,式(2-47)計(jì)算的并不是有效效率,它的計(jì)算結(jié)果會(huì)比有效效率小,更接近效率。由式(2-43),可以求得
用效率表示式(2-48),得
式(2-49)代入式(2-47),得
ηeffC與效率的差為
根據(jù)式(2-51),效率ηs =0.9、G21/G10在2%以內(nèi)時(shí),被修正的有效效率值ηeffC與效率的差小于0.02%.
這也是一直以來,高頻和微波功率計(jì)量研究從未涉及到這項(xiàng)偏差的原因。但隨著測量頻率的提高,效率逐漸下降,某些熱敏電阻功率座G21/G10較大,這項(xiàng)偏差逐漸顯現(xiàn)出來。
以NIST的2.4毫米接頭微量熱計(jì)中的熱敏電阻功率座為例,這是Agilent公司專為NIST設(shè)計(jì)制作的功率座,其結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。由于需要覆蓋50MHz~50GHz的頻段范圍,現(xiàn)有的熱敏電阻珠結(jié)構(gòu)不能使用,改用半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合熱電耦功率傳感器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出具有熱敏電阻功率座特性的測輻射熱功率傳感器。
由圖2-13可見,熱敏電阻的功能由三部分組合實(shí)現(xiàn),其中50歐姆負(fù)載實(shí)現(xiàn)熱敏電阻的吸收高頻和微波功率的功能,1kΩ測溫電阻緊靠負(fù)載,測量負(fù)載的溫度變化,直流偏置電路提供直流偏置功率給1kΩ電阻,保持1kΩ測溫電阻的阻值不變。
這一結(jié)構(gòu)盡管實(shí)現(xiàn)了熱敏電阻功率座的測輻射熱功能,但特性較差,其G 21 /G 10接近4,且有效效率范圍為(84%~94%)。
為驗(yàn)證和比較各國在2.4mm接頭型式上的功率量值,美國NIST組織進(jìn)行了2.4mm接頭型式功率國際比對。這次比對使用了兩個(gè)比對標(biāo)準(zhǔn),代號分別是3629和3815,除了英國NPL和美國NIST用各自的同軸基準(zhǔn)進(jìn)行比對,其他參加比對的實(shí)驗(yàn)室均是采用波導(dǎo)基準(zhǔn)加波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比對。圖2-14是2.4毫米接頭功率國際比對在45GHz和50GHz這兩個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù),可以看出NIST在頻率高端的數(shù)據(jù)明顯高于采用量熱計(jì)功率基準(zhǔn)的英國NPL。
圖2-15給出了在全部比對頻率點(diǎn)上,NIST和NPL對兩個(gè)比對標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果的差值。其中第三條曲線是根據(jù)式(2-51)計(jì)算出的NIST功率基準(zhǔn)的理論偏差,可以看出,NIST對NPL的數(shù)據(jù)有系統(tǒng)偏差,且與式(2-51)計(jì)算出的理論偏差較為一致,這說明本文對有效效率所做的分析是正確的。
2.4.3 功率測量中的熱等效誤差
在微量熱計(jì)中定標(biāo)過的熱敏電阻功率座可用來進(jìn)行功率測量,圖2-16為測量示意圖,其測量示意圖與微量熱計(jì)的升溫方式相似,有效效率表達(dá)式也相同。但由于功率座直接連接到功率分配器等沒有隔熱結(jié)構(gòu)的器件,功率座壁與它們間的熱導(dǎo)G10O要遠(yuǎn)大于到微量熱計(jì)中等溫絕熱壁的熱導(dǎo)G10。由式(2-37)得
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