毫米波WR-15（50～75 GHz）國家功率基準的研制

崔孝海， 李 勇， 張淑溢， 孫偉杰

（1.中國計量科學研究院，北京100029； 2.北京交通大學，北京 100044）

毫米波WR-15（50～75 GHz）國家功率基準的研制

崔孝海1， 李 勇1， 張淑溢2， 孫偉杰2

（1.中國計量科學研究院，北京100029； 2.北京交通大學，北京 100044）

介紹了一種基于熱敏電阻功率座的對稱雙線結構的WR-15（50～75 GHz）矩形波導微量熱計的設計及傳遞標準有效效率計算方法。給出了功率基準熱電堆測量曲線及該頻段毫米波功率傳遞標準量值結果。該微量熱計將作為我國50～75 GHz毫米波功率基準，將我國的毫米波功率測量能力提高到75 GHz。

計量學；毫米波功率；基準；微量熱計

1 引 言

隨著毫米波技術的發(fā)展，毫米波器件及設備在民用通信、軍用雷達、衛(wèi)星遙感、醫(yī)學成像等多個領域獲得廣泛應用。毫米波技術研究及毫米波產(chǎn)品質量控制均離不開毫米波功率測量，建立相應波段的毫米波功率基準成為重要而緊迫的任務。

無線電功率是國際計量局（BIPM）定義的7個無線電關鍵參數(shù)（功率、電壓、噪聲、衰減、阻抗S參數(shù)、天線、場強）之一，也是無線電計量體系中最基本、最重要的關鍵參數(shù)，其它眾多無線電參數(shù)需要直接或間接溯源到無線電功率。作為無線電技術的新興領域，毫米波近年來有了長足發(fā)展，許多技術已經(jīng)有產(chǎn)品問世。如毫米波信號源已經(jīng)突破了110 GHz，毫米波網(wǎng)絡分析儀已經(jīng)突破了無線電頻帶極限300 GHz，進入亞毫米波頻段。BIPM的電磁咨詢委員會（CCEM）射頻工作組已經(jīng)確定近期開展更多的毫米波功率國際關鍵比對，以支撐國際多邊互認（MRA）。因此，建立更高頻率的毫米波功率基準顯得尤為重要。

中國計量科學研究院自2006年以來，建立了一系列的毫米波功率基準，頻率覆蓋到了60 GHz。剛剛完成的WR-22（33～50 GHz）功率基準正在參加CCEM射頻工作組組織的國際關鍵比對，比對號CCEM.RF-K25.W，該比對由德國物理技術研究院（PTB）主持，全球10個國家參加，均為無線電工業(yè)發(fā)達國家。

毫米波功率國家基準采用量熱技術，采用直流與毫米波在相同量熱體上產(chǎn)生相同溫度變化的情況下，建立毫米波功率與直流（或低頻）功率之間的等效關系，從而以直流（或低頻）功率值來表征毫米波功率值，實現(xiàn)了毫米波功率溯源到7個基本單位［1］。本文介紹的WR-15功率基準頻率范圍為50～75 GHz，用以定標WR-15熱敏電阻座的有效效率，它可將我國的無線電功率測量能力提升到75 GHz，定標后的功率傳遞標準可以校準SMA、N、3.5 mm、2.92 mm、2.4 mm、1.85 mm等多種同軸形式及WR-42、WR-28、WR-22、WR-19、WR-15等多種矩形波導形式的功率傳感器，基本滿足我國國內無線電工業(yè)和技術對功率的測量需求。

2 基準系統(tǒng)設計

2.1 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由功率基準主體——微量熱計（密封銅桶及內部結構）、毫米波信號源、四線功率計、納伏表及毫米波器件、電纜組成。測量系統(tǒng)可以定出傳遞標準的有效效率，傳遞標準是商用熱敏電阻座。毫米波信號源為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的信號激勵。為避免復雜的源反射系數(shù)測量，信號源系統(tǒng)的末端接有定向耦合器，測量過程中檢測其旁臂輸出功率。微量熱計通過熱敏電阻座座壁溫升的測量獲得凈功率中未被替代的那一部分功率值，溫升轉化為熱偶的熱電勢后由納伏表測得。

圖1 WR-15微量熱計測量系統(tǒng)

為保證功率基準系統(tǒng)具有良好的重復性、穩(wěn)定性以及準確性，首先要確保系統(tǒng)的高信噪比。為使功率敏感元件工作在溫度穩(wěn)定、熱傳導分布均勻的工作環(huán)境中，基準將微量熱計及被測功率座設計在密封銅質桶內，桶懸置在恒溫水槽中。恒溫水槽可以將槽內水溫控制在1 mK／℃的水平。由于基準系統(tǒng)每次重新連接后，一次全頻段測量時間超過40 h，因此需要有一個恒溫恒濕的實驗環(huán)境。實際工作時實驗室溫度控制在（23±1）℃，濕度控制在（50± 10）%RH。

四線功率計為電流自平衡式功率計，不加毫米波功率時微量熱計工作端的熱敏電阻座被偏置在約30 mW的直流電平上，穩(wěn)幅控制器通過四線功率計及穩(wěn)幅參考源之間偏差來控制毫米波信號源的調幅，從而達到穩(wěn)幅的目的。圖1為該功率基準測量系統(tǒng)示意圖。

2.2 微量熱計設計

微量熱計設計為對稱雙線結構，見圖2，可分為3部分：毫米波信號傳輸及傳感部件、對稱熱參考部件、外圍輔助部件。毫米波信號傳輸及傳感部件包括輸入波導、工作線（底盤連接器、隔熱波導傳輸線，簡稱“隔熱段”、接觸法蘭、熱敏電阻座）、熱電堆，該部分主要作用是毫米波信號傳輸、功率吸收及傳感、傳輸熱電勢信號；對稱熱參考部件為參考線（由底盤連接器、隔熱段、接觸法蘭、熱敏電阻座組成），與工作線結構一致，該部分主要作用是熱參考。此結構稱為“對稱雙線”或“孿生雙線”結構；外圍輔助部分包括：底盤、密封圈、桶蓋、導線管、支撐柱、手柄及緊固螺釘?shù)?，該部分主要作用是密封、連接。熱電堆是商用熱耦，將接觸兩端的溫差轉換為熱電勢。隔熱段是一段6 mm厚的表面鍍金的ABS塑料材料的矩形波導，把它放置在接觸法蘭和底盤連接器之間。用來提高熱敏電阻座與底盤連接器之間的熱阻，從而提高工作線與參考線之間的溫差，改善熱電堆輸出電壓的信噪比。將工作端及參考端均罩上約0.25 mm厚的鍍金銅罩，用于降低工作端熱敏電阻座的熱輻射。整個微量熱計的金屬部件均為導熱性能好、強度高的黃銅加工而成。

熱敏電阻座內的功率敏感元件為一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻珠，既能吸收直流功率，也能吸收毫米波功率。不加毫米波功率時，四線功率計將其平衡為200Ω，加入毫米波信號后，功率敏感元件阻值因吸收功率而發(fā)生變化，為維持電橋平衡，四線功率計將自動地降低直流功率。這種通過直流功率變化量來表征毫米波功率的方法，稱為直流替代方法。

如上所述，微量熱計首先要提供一個確保熱敏電阻座溫度穩(wěn)定且均勻的工作環(huán)境，但由于測量時間長達40 h，長期溫度漂移問題較難解決。本微量熱計采用雙線對稱結構控制，測量工作端與參考端之間的相對溫差，能夠有效地抑制基準長期溫度漂移問題。

3 測量原理

熱敏電阻座的有效效率ηe是通過下式來計算的［2］

式中，e和v分別為熱電堆和四線功率計電壓，下標“on”和“off”表示毫米波信號源開和關的情況；ηun為未修正有效效率；修正因子g是為了修正微量熱計測量中其它位置（隔熱段、接觸法蘭等）吸收了毫米波功率對熱電堆的影響

式中，c為微量熱計中隔熱波導傳輸線損耗的毫米波功率對熱電堆的影響因子；s為微量熱計損耗的毫米波功率與熱敏電阻座吸收的凈功率之比。為了確定隔熱波導傳輸線對熱電堆的影響，可以在接觸法蘭和熱敏電阻座之間放置一個平整光滑的薄銅片，稱之為短路器，使熱敏電阻座吸收毫米波功率為零，隔熱波導傳輸線單獨吸收毫米波功率，稱之為短路器測量。

修正因子的計算式為

圖2 微量熱計實物圖

式中，ΓM為功率座的反射系數(shù)；ΓFS為短路器的反射系數(shù)；k1為熱電堆輸出對于功率的比例因子；PI為入射毫米波功率；eFS為短路器測量時的熱電堆平衡輸出。

4 測量結果

圖3為WR-15微量熱計熱電堆輸出曲線，被測件為某商用50～75 GHz熱敏電阻座。由于受毫米波信號源的限制，僅做了50～69 GHz頻率范圍測量，頻率間隔為1 GHz。實驗室正積極落實110 GHz毫米波信號源，不久即可完成全頻段測量。測量過程的開始和結束均為關閉毫米波功率狀態(tài)，中間為測量頻率點掃描過程，頻率點之間切換時關閉信號源30 s，整個測量采用軟件自動控制，并根據(jù)測量記錄自動判斷平衡狀態(tài)。平均每個頻率點測量時間約85 min，整個頻段測量時間近27 h。

圖3 WR-15微量熱計熱電堆輸出曲線

由圖3可以看出，測量開始及結束，熱電堆基線比較平坦，27 h漂移不超過0.03‰，說明微量熱計中溫度非常穩(wěn)定。圖4給出了由測量結果計算得到的熱敏電阻座有效效率曲線。通過多次連接測量，有效效率測量值多次（3次以上）連接重復性優(yōu)于0.3%。

5 結 論

本文提出了基于對稱雙線結構的微量熱計設計方法，該微量熱計將作為我國WR-15（50～75 GHz）毫米波功率基準。測量結果表明，該微量熱計運行穩(wěn)定，這種基于熱敏電阻功率座的對稱雙線結構能夠較好地克服實驗室溫度變化，獲得準確的有效效率量值，下一步工作是對整個微量熱計系統(tǒng)進行不確定度評定，開展量值傳遞工作，并計劃參加該頻段的國際比對。

圖4 WR-15微量熱計某熱敏電阻座有效效率曲線

［1］ Crowley TP，Cui X H.Design and evaluation of aWR-15（50 to 75 GHz）m icrocalorimeter［C］／／CPEM 2008 Conference，Broom field，Colorado，USA，2008.

［2］ Allen JW，F(xiàn)red R C，Larsen N T，et al.The NIST Microwave Power Standards in Waveguide［R］.NIST Technical Note 1511，1999.

［3］ Cui X H，Crowley T P.Comparison of Experimental Techniques for Evaluating the Correction Factor of a Rectangular Waveguide Microcalorimeter［C］／／IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，Daejeon，Korea，2010.

Design and Development of the WR-15（50～75）GHz Millimeter-wave Power National Primary Standard

CUIXiao-hai1， LIYong1， ZHANG Shu-yi2， SUNWei-jie2
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；
2.Beijing Jiaotong Univercity，Beijing 100044，China）

The design and development technique of a WR-15 microcalorimeter based on a thermistor mount is presented.The microcalorimeter is designed as twn-line structure which can lower the influnece from the laboratory temperature floating.The basic principle of themeasurement is presented too.Them icrocalorimeterwillbe national primary standard ofWR-15（50～75 GHz）m illimeter-wave power.It enhanced China RF power measurement capability up to 75 GHz.

Metrology；Millimeter-wave power；Primary standard；Microcalorimeter

TB973

A

1000-1158（2014）04-0378-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．16

2012-09-11；

2013-05-30

崔孝海（1973－），吉林洮南人，中國計量科學研究院副研究員，博士，主要從事微波功率基標準的研究。cuixh＠nim.ac.cn