无线电功率计量技术发展及其国际关键比对*

田　梦　李　勇　刘士暄

(1.渤海船舶职业学院机电工程系，葫芦岛 125000；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.北京邮电大学，北京 102600)

0　引言

无线电功率是国际计量局(BIPM)定义的七个无线电关键参数(功率、衰减、阻抗S参数、波形参数、噪声、天线参数、场强)之一，也是无线电计量体系中最基本、最重要的关键参数，其它众多无线电参数需要直接或间接溯源到无线电功率。作为无线电技术的新兴领域，毫米波近年来有了长足发展，许多技术已经有产品问世。例如，毫米波信号源已经突破了110GHz，毫米波网络分析仪已经突破了无线电频带极限300GHz，进入亚毫米波频段。毫米波技术研究及毫米波产品质量控制都离不开毫米波功率测量，建立相应波段的毫米波功率基准成为计量工作者重要而紧迫的任务。国际计量局(BIPM)的电磁咨询委员会(CCEM)射频工作组已经确定近期开展更多的毫米波功率国际关键比对，以支撑国际多边互认(MRA)。建立更高频率的毫米波功率基准显得尤为重要。

本文首先介绍了无线电功率基准系统的工作原理、系统组成以及关键技术，然后介绍了我国无线电功率基准的发展状况。介绍了作为国际计量局中国测量能力的代表，中国计量科学研究院在无线电功率基准领域的主要工作和进展。由于无线电功率是无线电计量体系的关键参数，世界各国国家都建立自己的功率基准，文章介绍了世界主要发达国家的无线电功率发展现状和未来无线电功率基准技术发展趋势。由于国家测量能力(CMC)是通过国际计量局(BIPM)以国际比对为基础来进行确认，给出了中国计量科学研究院代表中国参加近期完成的无线电功率国际关键比对情况。

1　无线电功率基准测量系统

毫米波功率国家基准采用量热技术，即直流与毫米波在相同量热体上产生相同温度变化的情况下，建立毫米波功率与直流(或低频)功率之间的等效关系，从而以直流(或低频)功率值来表征毫米波功率值，实现了毫米波功率溯源到七个基本单位[1]。我国的毫米波系列功率基准频率范围为10MHz～75GHz，用以定标该频段热敏电阻座的有效效率，它可以将我国的无线电功率测量能力提升到75GHz，定标后的功率传递标准可以校准SMA、N、3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm等多种同轴形式及WR-42、WR-28、WR-22、WR-19、WR-15等多种矩形波导形式的功率传感器，基本满足国内无线电工业和技术对功率的测量需求。

测量系统由功率基准主体-微量热计(密封铜桶及内部结构)、毫米波信号源、四线功率计、纳伏表及毫米波器件、电缆组成。测量系统可以定出传递标准的有效效率，传递标准是商用热敏电阻座[1-2]。毫米波信号源为系统提供稳定的信号激励，为避免复杂的源反射系数测量，信号源系统的末端接有定向耦合器，测量过程中检测其旁臂输出功率。微量热计通过热敏电阻座座壁温升的测量，获得净功率中未被替代的那一部分功率值，温升转化为热偶的热电势后由纳伏表测得。

为保证功率基准系统具有良好的重复性、稳定性以及准确性，首先要确保系统的高信噪比。为使功率敏感元件工作在温度稳定、热传导分布均匀的工作环境中，微量热计及被测功率座设计在均温环境中。图1为该功率基准测量系统示意图。

图1　无线电功率基准-微量热计测量系统

2　我国无线电功率基准发展现状

我国在1987年研制出12.4～18GHz单负载波导微量热计功率基准，测量不确定度在0.5％以内。同轴基准频率范围为10MHz～18GHz，N型接头模式，采用的是量热计技术。2008年，中国计量科学研究院(NIM)信息电子所研制了8毫米微波功率基准，采用双负载结构的量热计，外部采用控温桶，利用部分替代法测量微波功率，将波导功率基准拓宽到40GHz。2012年中国计量科学研究院研制成功了50GHz微量热计毫米波功率基准，目前，已经研制成功50～75GHz毫米波功率基准(如图2所示)，并正在进行不确定度评定。

图2　微量热计实物图

3　国外无线电功率基准发展现状

目前，世界各国的无线电功率测量能力都有新的发展，但基本上都是采用热电转换方式的(微)量热计。该方法具有准确度高，不确定度小等优点。美国2004年成功研制了50GHz同轴微量热计功率基准，于2008年成功研制了75GHz矩形波导微量热计功率基准[3-4]。日本于2005年研制了40GHz同轴功率基准，近年开展了110GHz功率基准研制。德国、英国等国家计量院的测量能力目前基本覆盖到75GHz。对于更高频段，目前受器件限制，很难覆盖全频段。图3为各国的功率基准装置照片。

图3　国外典型无线电功率基准

4　未来发展趋势及关键技术

目前，世界各国均在研制更高频段的功率基准。其中，日本正在研制170GHz功率基准。其采用匹配负载作为功率吸收量热体，美国正在研究片上(On Wafer)功率计量技术。

更高频段功率基准的研制，最关键瓶颈是功率转换器件的设计加工。作为量热式功率基准，宽带、高匹配的热电转换元件还没有突破性进展。如何分析确定无线电功率热电转换与直流功率之间的关系是目前一大难题。

中国计量科学研究院采用宽带匹配负载为基础，设计加工了热电转换功率传感器，在更高频段上可以做进一步尝试。另外，加拿大、日本等国采用基于量子论技术，将功率溯源到频率上。该方法目前测量不确定度较大，但也是一种积极的探索。

5　毫米波功率国际关键比对

随着贸易的全球化，电子国际贸易的发展迅速，计量显得更加重要。提别是新一代信息技术产业，面临全球化的市场，产品的测量数据和检验结果要得到其他国家的承认和接受，就必须有准确可靠的、具有互相接受一致的计量保障。米制公约为计量提供了法律框架，国际比对为计量提供了量值等效的技术基础，通过国家计量基标准之间的国际比对以及多边互认协议，支撑了实验室认可体系，保障了国际贸易过程中信息产品认证、实现国际市场准入。通过国际计量局(BIPM)的电磁委员会(CCEM)公布了近十年国际比对规划，比对内容已经涉及毫米波、亚毫米波频段。

中国计量科学研究院代表中国于2012年参加了国际计量局毫米波功率比对[5]。共有9个国家参加了此次比对。包括：德国(PTB)、美国(NIST)、中国(NIM)、英国(NPL)、俄罗斯(VNI)、法国(LNE)、韩国(KRISS)、澳大利亚(NMIA)、加拿大(NRC)。其中，有7个国家自溯源测量能力达到了50GHz。图4中分别为我国自主研制的功率基准和比对盲样PTB-1(SN:216，WR-22热敏电阻式功率座)。通过功率基准对功率座的全频段有效效率进行了8次测量，每次测量都进行了重新装配连接，并将该功率座在法兰端面旋转了180°。最后，给出了盲样的有效效率测量值，并评定了测量结果的测量不确定度。测量不确定度水平为0.7％(k=2)，居于世界先进水平，图5为部分比对结果。图中中心实线为盲样有效效率的参考值，每个测量点的竖线宽度为不确定度范围(k=2)。

图4　毫米波功率国际关键比对盲样及测量装置

图5　国际关键比对(33GHz～50GHz)部分比对结果

6　结论

作为无线电计量体系基本参数，各国工业发达国家都持续研究无线电功率计量技术。其中，采用热电转换技术的微量热计、量热计技术仍然是最准确、最稳定的计量方法。要想达到更高频段的功率测量能力，面临来自工艺水平、器件水平的限制。需要解决在更高频段的宽带匹配，功率传感等技术难题。我国无线电功率基准水平在近年来有了很大提升。测量频率越来越高，测量不确定度越来越小，基本满足了目前国内的溯源需求。通过参加国际比对，获得国家测量能力的国际认可。但仍然可以看到，毫米波、太赫兹技术的发展，在不久的将来，对更高频段的功率溯源将提出了新的挑战。

[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，Fred R.Clague，Neil T.Larsen，and Manly P.Weidman，“NIST Microwave Power Standards in Waveguide”，NIST Technical Note 1511，Feb.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