微波中功率测量技术发展综述

温世仁 郝志坤 张正龙 王丽娟 杨 静

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

功率是微波领域的基本参数之一，它表征了微波信源的传输特性[1]。在无线电测量系统中常常需要测量发射设备的输出功率和接收设备的灵敏度，这就需要测量各种信号的功率大小。微波功率测量是基于将微波能量转换成热、力、直流或低频电量等能量形式后加以测量的，一般将功率测量仪器称为功率计。

在国内计量领域，通常将大于1W并小于100W的微波连续波功率称为微波中功率，将大于100W的微波功率称为大功率[1]。随着微波功率测量技术和仪器的发展，微波中功率的包含范围也在发展。在国家计量技术规范《JJF 1386-2013中功率计校准规范》中，中功率计的测量范围涵盖了(0.1～500)W。国外文献中常把1W以上的微波功率称之为高功率(high power)[2]。

常用的微波中功率的测量方法可分成两类：一类是基于微波小功率测量装置的定向耦合器法、衰减器法或耦合器与衰减器级联法，将这一类统称为耦合衰减法；另一类是微波中功率直接量热测量法，简称量热法。本文主要介绍这两类微波中功率测量方法的原理及国内外发展情况，并总结其各自的应用特点。

2 耦合衰减法

耦合衰减法是指通过应用定向耦合器、衰减器或它们的级联组合把被测微波功率耦合或衰减至小功率计的测量范围，由微波小功率计或小功率测量装置测量出该小功率值后，再根据已知的衰减量或耦合系数计算得到被测微波功率大小的方法。图1(a)、(b)分别为应用衰减器、耦合器的耦合衰减法微波中功率测量框图。

图1 耦合衰减法微波中功率测量框图

目前，微波小功率的测量技术比较成熟，测量方法和测量设备比较完善，测量准确度较高，不少国家建立了基于小功率量热计或微量热计的微波小功率标准装置，测量不确定度达到0.2%[3]。因此，利用微波小功率计或小功率测量装置采用耦合衰减法构建射频微波中功率测试装置比较容易实现，并具有较好的溯源性。且由于衰减器和耦合器均为无源器件，测量链路构建后性能稳定，因此耦合衰减法的测量可靠性比较好。国军标《GJB 2678-96雷达发射机分系统性能测试方法：功率、效率、负载特性》推荐采用此方法进行微波中功率测试。文献[4]介绍了一种采用微波小功率计和一个40dB中功率衰减器构建的微波中功率测量装置，功率测量范围达到50W，扩展测量不确定度小于5%(k=2)，能满足对准确度要求不太高的微波中功率测量需求。当采用准确度更高的微波小功率传递标准或量热计、微量热计小功率标准装置替代普通微波小功率计，能大大提高采用耦合衰减法测量微波中功率的准确度，可用于建立微波中功率量值溯源标准装置。国内有专业计量机构采用精密小功率量热计与100W精密衰减器与组建了宽带微波中功率计量标准装置，中功率校准因子的合成不确定度达到1.4%[5]；其它一些计量部门利用SYSTEM-Ⅱ微波小功率标准或其它功率传递标准，采用耦合衰减法构建了微波中功率测量标准装置[6～10]。

利用多个微波中大功率定向耦合器或衰减器进行级联连接，可以扩展耦合衰减法微波中功率测量装置的测量范围。美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)通过应用多个定向耦合器和衰减器级联的方法，构建了一套连续波中大功率自动校准系统[11,12](如图2所示)，把射频微波中大功率量值精确溯源至微波小功率基准。其测量范围为：(10～400)MHz、(1～500)W，(10～30)MHz、(1～1000)W，合成测量不确定度达到0.77%。美国国家标准局(National Bureau of Standards，NBS)应用多个定向耦合器级联，把微波功率测量范围扩展至1MW，测量不确定度达到2.7%[2]。

图2 NIST连续波中大功率校准系统

耦合衰减法测量微波中功率的测量不确定度主要来源于微波小功率计或小功率测量装置、衰减器、耦合器以及端口连接失配等。定向耦合器的耦合系数、衰减器的衰减量值、端口的电压驻波比通常都是在常温和小功率条件下定标或校准的。当通过中大功率时，器件温度升高，衰减器的衰减量、耦合器的耦合系数、以及它们的端口电压驻波比等都将发生变化，这些变化会引入额外的测量不确定度，降低中功率测量的准确度。这些特性参数的变化量可通过实验精确测量或根据厂家提供的相关数据曲线获得[4～8]。

综上述，耦合衰减法微波中功率测量技术具有以下特点：(1)易构建、溯源性好，(2)可靠性高，(3)测量扩展性好，(4)测量准确性有限，不确定度评定复杂。耦合衰减法的中功率测量准确度不仅受限于小功率量值的测量不确定度、衰减器与定向耦合器小功率条件下的校准不确定度，还要受到中大功率测量下衰减量、端口电压驻波比等变化并引入的额外系统误差的影响，因此，耦合衰减法的功率测量准确度有限，且包含的测量不确定度分量比较多、评定复杂。

3 量热法

量热法微波功率测量的原理是热力学第一定律即能量守恒定律。它通过测量能量吸收体所吸收的微波转换热量推算出输入微波功率的大小。采用量热法实现微波中功率测量的仪器或装置可称为微波中功率量热计。根据能量吸收体的形态可将中功率量热计分为干式负载量热计和流量式量热计两类。

流量式量热计常用水、油、酒精或混合液等液体作能量吸收体，液体可以是静止或流动的。流量式量热计通过测量液体吸收热量后的温度、体积等特征的变化量来得出输入微波功率的大小。图3是一种静止式液体能量吸收体的微波功率量热计结构示意图[13]。微波中大功率通过金属波导辐射至量热计中的液体，如酒精，酒精吸收功率后温度升高、体积膨胀，毛细管电容器的酒精液位将升高。测量出酒精的温度变化量或体积膨胀量就可以推算出酒精吸收的微波功率大小。酒精的膨胀量可通过检测毛细管电容器的电容变化得到。

图3 一种静止式液体吸收体的量热计结构示意图

相较于静止式液体吸收体，流动式液体吸收体在中大功率测量中应用更为常见。图4是一种采用流动的水作为能量吸收体的负载结构示意图，简称水负载[14～19]。水负载利用水的极化损耗吸收微波功率并转化为热量，按工作方式水负载可分为吸收式和辐射式两种。吸收式水负载中水流过波导内部的水室并吸收微波。水室可做成圆锥体、斜插水管或斜劈式。水室的外壁一般用玻璃、石英或玻璃钢等微波透过性好且损耗小的介质材料做成。水室介质的材料容易破裂，因此吸收式水负载存在较大安全隐患。辐射式水负载中微波通过波导斜切面端口辐射至水室，并被水室中流动的水吸收，如图4(b)所示。辐射式水负载采用介质片(如陶瓷片等)紧压在斜切面法兰上形成水室，可以较好地克服吸收式水负载的缺陷，实用性更好。测量出水负载水流入口处和流出口处的温差，按公式(1)可得出水负载吸收微波功率转换的热量Pi。

Pi=cqVρΔT

(1)

式中：c——液体的比热容，J/g·K；qV——液体的体积流量，cm3/s;ρ——液体的密度，g/cm3;ΔT——在负载液体出口和入口处所测得液体温度差K。

图4 水负载结构示意图

由公式(1)可知，增大流量qV或温差ΔT就可增大Pi的大小，因此流动式吸收体负载功率测量范围扩展性好，比较适用于微波中大功率的测量。电子科技大学采用这种流动式水负载量热测量微波功率的原理设计了一种宽带微波功率计，其频率范围为(6.5～18)GHz，最大测量功率达到2000W[17，18]。

微波中功率干式负载量热计一般有波导型和同轴型结构微波负载两种。波导结构干式负载一般采用导热性好的固体材料(如陶瓷、羟基铁等)作为微波吸收体填充整个波导，并应用均匀渐变结构提高阻抗匹配性[20，21]。为满足功率容量，中功率固体吸收体的体积一般较大。文献[21]介绍了一种采用波导结构干式负载的X频段的微波中功率量热计，1W功率的测量不确定度约为4%(k=2)。

同轴型结构的中功率干式负载通常是在同轴线的内外导体之间放置阶梯型吸收体或者凹圆锥形吸收体，如图5所示。吸收体的材料可以选取石墨与水泥混合物或者是带有损耗的陶瓷等，也可采用功率较大的宽带微波柱状电阻产品作干式负载。

图5 同轴型结构干式负载示意图

近年来，基于干式负载的冷却液流量式微波中功率量热测量方法在国外得到深入研究和应用。图6所示是一种基于冷却液流量式的微波中功率量热计的测量原理示意图。射频微波干式负载吸收微波功率后产生热量，冷却液流过射频微波干式负载导热面并吸收负载的热量后升温，通过温度和流量传感器分别精确测量出导热面腔体冷却液流入口处和流出口处的温度差ΔT及液体的流量大小qV，根据公式(1)可计算得到冷却液吸收的热量，从而得出被测输入微波功率大小。在测量微波中功率前，先输入标准直流或低频交流功率(如工频)进行功率测量准确度校准，可以提高这种流量式微波中功率量热计的量值测量准确性，并保证其量值溯源性。

应用量热法测量微波中功率需要注意采取充分的隔热措施，减少输入微波功率产生的热量在其它器件上的损耗。应用流量式量热法测量中功率时，液体温度升高后其比热容、密度等特性参数将发生变化，采用公式(1)计算吸收热量时需要代入准确的c与ρ值，否则将引入测量系统误差。

基于流量式量热原理测量微波中功率的原理经典，技术可行。美国TEGAM、Electro Impulse Lab、Bird等公司推出了不少基于流量式的微波中功率量热计，部分产品型号及技术性能见表1所列[22～24]。从表1知部分中功率量热计的最大测量允许误差达到0.5%，测量准确度优于美国NIST的基于耦合衰减法构建的中功率校准系统。因此，在微波中功率高准确度测量方面，流量式量热法比耦合衰减法具有显著优势，可作为目前宽带微波中功率测量标准的优先研究方向之一。

图6 一种冷却液流量式微波中功率量热计原理示意图

表1 几种典型中功率量热计产品Tab.1 Severaltypicalmedium-powercalorimeter型号测量范围最大允差HA-100DC^3.5GHz,15W^100W±0.5%FSHA-1000DC^3.5GHz,15W^1000W±0.5%FS60916091PDC^2.5GHz,10W^200W±(1.5%^3%)131460Hz^3GHz,10W^250W±(0.3W+0.3%RDG)

4 结束语

通过详细介绍耦合衰减法和量热法两种主要微波中功率测量方法的原理及国内外发展现状,可以发现：耦合衰减法具有易构建、溯源性好、可靠性高、扩展性好的优点，但准确度有限，适用于对功率测量准确度要求不高的情况；量热法在微波中功率高准确度测量方面具有优势，可作为建立微波中功率计量标准的优先研究方向之一。