微波中功率測(cè)量技術(shù)發(fā)展綜述

溫世仁 郝志坤 張正龍 王麗娟 楊 靜

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

功率是微波領(lǐng)域的基本參數(shù)之一，它表征了微波信源的傳輸特性[1]。在無(wú)線電測(cè)量系統(tǒng)中常常需要測(cè)量發(fā)射設(shè)備的輸出功率和接收設(shè)備的靈敏度，這就需要測(cè)量各種信號(hào)的功率大小。微波功率測(cè)量是基于將微波能量轉(zhuǎn)換成熱、力、直流或低頻電量等能量形式后加以測(cè)量的，一般將功率測(cè)量?jī)x器稱為功率計(jì)。

在國(guó)內(nèi)計(jì)量領(lǐng)域，通常將大于1W并小于100W的微波連續(xù)波功率稱為微波中功率，將大于100W的微波功率稱為大功率[1]。隨著微波功率測(cè)量技術(shù)和儀器的發(fā)展，微波中功率的包含范圍也在發(fā)展。在國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《JJF 1386-2013中功率計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》中，中功率計(jì)的測(cè)量范圍涵蓋了(0.1～500)W。國(guó)外文獻(xiàn)中常把1W以上的微波功率稱之為高功率(high power)[2]。

常用的微波中功率的測(cè)量方法可分成兩類：一類是基于微波小功率測(cè)量裝置的定向耦合器法、衰減器法或耦合器與衰減器級(jí)聯(lián)法，將這一類統(tǒng)稱為耦合衰減法；另一類是微波中功率直接量熱測(cè)量法，簡(jiǎn)稱量熱法。本文主要介紹這兩類微波中功率測(cè)量方法的原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況，并總結(jié)其各自的應(yīng)用特點(diǎn)。

2 耦合衰減法

耦合衰減法是指通過(guò)應(yīng)用定向耦合器、衰減器或它們的級(jí)聯(lián)組合把被測(cè)微波功率耦合或衰減至小功率計(jì)的測(cè)量范圍，由微波小功率計(jì)或小功率測(cè)量裝置測(cè)量出該小功率值后，再根據(jù)已知的衰減量或耦合系數(shù)計(jì)算得到被測(cè)微波功率大小的方法。圖1(a)、(b)分別為應(yīng)用衰減器、耦合器的耦合衰減法微波中功率測(cè)量框圖。

圖1 耦合衰減法微波中功率測(cè)量框圖

目前，微波小功率的測(cè)量技術(shù)比較成熟，測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備比較完善，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，不少國(guó)家建立了基于小功率量熱計(jì)或微量熱計(jì)的微波小功率標(biāo)準(zhǔn)裝置，測(cè)量不確定度達(dá)到0.2%[3]。因此，利用微波小功率計(jì)或小功率測(cè)量裝置采用耦合衰減法構(gòu)建射頻微波中功率測(cè)試裝置比較容易實(shí)現(xiàn)，并具有較好的溯源性。且由于衰減器和耦合器均為無(wú)源器件，測(cè)量鏈路構(gòu)建后性能穩(wěn)定，因此耦合衰減法的測(cè)量可靠性比較好。國(guó)軍標(biāo)《GJB 2678-96雷達(dá)發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)性能測(cè)試方法：功率、效率、負(fù)載特性》推薦采用此方法進(jìn)行微波中功率測(cè)試。文獻(xiàn)[4]介紹了一種采用微波小功率計(jì)和一個(gè)40dB中功率衰減器構(gòu)建的微波中功率測(cè)量裝置，功率測(cè)量范圍達(dá)到50W，擴(kuò)展測(cè)量不確定度小于5%(k=2)，能滿足對(duì)準(zhǔn)確度要求不太高的微波中功率測(cè)量需求。當(dāng)采用準(zhǔn)確度更高的微波小功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)或量熱計(jì)、微量熱計(jì)小功率標(biāo)準(zhǔn)裝置替代普通微波小功率計(jì)，能大大提高采用耦合衰減法測(cè)量微波中功率的準(zhǔn)確度，可用于建立微波中功率量值溯源標(biāo)準(zhǔn)裝置。國(guó)內(nèi)有專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)采用精密小功率量熱計(jì)與100W精密衰減器與組建了寬帶微波中功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，中功率校準(zhǔn)因子的合成不確定度達(dá)到1.4%[5]；其它一些計(jì)量部門(mén)利用SYSTEM-Ⅱ微波小功率標(biāo)準(zhǔn)或其它功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)，采用耦合衰減法構(gòu)建了微波中功率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置[6～10]。

利用多個(gè)微波中大功率定向耦合器或衰減器進(jìn)行級(jí)聯(lián)連接，可以擴(kuò)展耦合衰減法微波中功率測(cè)量裝置的測(cè)量范圍。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)通過(guò)應(yīng)用多個(gè)定向耦合器和衰減器級(jí)聯(lián)的方法，構(gòu)建了一套連續(xù)波中大功率自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)[11,12](如圖2所示)，把射頻微波中大功率量值精確溯源至微波小功率基準(zhǔn)。其測(cè)量范圍為：(10～400)MHz、(1～500)W，(10～30)MHz、(1～1000)W，合成測(cè)量不確定度達(dá)到0.77%。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(National Bureau of Standards，NBS)應(yīng)用多個(gè)定向耦合器級(jí)聯(lián)，把微波功率測(cè)量范圍擴(kuò)展至1MW，測(cè)量不確定度達(dá)到2.7%[2]。

圖2 NIST連續(xù)波中大功率校準(zhǔn)系統(tǒng)

耦合衰減法測(cè)量微波中功率的測(cè)量不確定度主要來(lái)源于微波小功率計(jì)或小功率測(cè)量裝置、衰減器、耦合器以及端口連接失配等。定向耦合器的耦合系數(shù)、衰減器的衰減量值、端口的電壓駐波比通常都是在常溫和小功率條件下定標(biāo)或校準(zhǔn)的。當(dāng)通過(guò)中大功率時(shí)，器件溫度升高，衰減器的衰減量、耦合器的耦合系數(shù)、以及它們的端口電壓駐波比等都將發(fā)生變化，這些變化會(huì)引入額外的測(cè)量不確定度，降低中功率測(cè)量的準(zhǔn)確度。這些特性參數(shù)的變化量可通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量或根據(jù)廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)曲線獲得[4～8]。

綜上述，耦合衰減法微波中功率測(cè)量技術(shù)具有以下特點(diǎn)：(1)易構(gòu)建、溯源性好，(2)可靠性高，(3)測(cè)量擴(kuò)展性好，(4)測(cè)量準(zhǔn)確性有限，不確定度評(píng)定復(fù)雜。耦合衰減法的中功率測(cè)量準(zhǔn)確度不僅受限于小功率量值的測(cè)量不確定度、衰減器與定向耦合器小功率條件下的校準(zhǔn)不確定度，還要受到中大功率測(cè)量下衰減量、端口電壓駐波比等變化并引入的額外系統(tǒng)誤差的影響，因此，耦合衰減法的功率測(cè)量準(zhǔn)確度有限，且包含的測(cè)量不確定度分量比較多、評(píng)定復(fù)雜。

3 量熱法

量熱法微波功率測(cè)量的原理是熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律。它通過(guò)測(cè)量能量吸收體所吸收的微波轉(zhuǎn)換熱量推算出輸入微波功率的大小。采用量熱法實(shí)現(xiàn)微波中功率測(cè)量的儀器或裝置可稱為微波中功率量熱計(jì)。根據(jù)能量吸收體的形態(tài)可將中功率量熱計(jì)分為干式負(fù)載量熱計(jì)和流量式量熱計(jì)兩類。

流量式量熱計(jì)常用水、油、酒精或混合液等液體作能量吸收體，液體可以是靜止或流動(dòng)的。流量式量熱計(jì)通過(guò)測(cè)量液體吸收熱量后的溫度、體積等特征的變化量來(lái)得出輸入微波功率的大小。圖3是一種靜止式液體能量吸收體的微波功率量熱計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖[13]。微波中大功率通過(guò)金屬波導(dǎo)輻射至量熱計(jì)中的液體，如酒精，酒精吸收功率后溫度升高、體積膨脹，毛細(xì)管電容器的酒精液位將升高。測(cè)量出酒精的溫度變化量或體積膨脹量就可以推算出酒精吸收的微波功率大小。酒精的膨脹量可通過(guò)檢測(cè)毛細(xì)管電容器的電容變化得到。

圖3 一種靜止式液體吸收體的量熱計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

相較于靜止式液體吸收體，流動(dòng)式液體吸收體在中大功率測(cè)量中應(yīng)用更為常見(jiàn)。圖4是一種采用流動(dòng)的水作為能量吸收體的負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖，簡(jiǎn)稱水負(fù)載[14～19]。水負(fù)載利用水的極化損耗吸收微波功率并轉(zhuǎn)化為熱量，按工作方式水負(fù)載可分為吸收式和輻射式兩種。吸收式水負(fù)載中水流過(guò)波導(dǎo)內(nèi)部的水室并吸收微波。水室可做成圓錐體、斜插水管或斜劈式。水室的外壁一般用玻璃、石英或玻璃鋼等微波透過(guò)性好且損耗小的介質(zhì)材料做成。水室介質(zhì)的材料容易破裂，因此吸收式水負(fù)載存在較大安全隱患。輻射式水負(fù)載中微波通過(guò)波導(dǎo)斜切面端口輻射至水室，并被水室中流動(dòng)的水吸收，如圖4(b)所示。輻射式水負(fù)載采用介質(zhì)片(如陶瓷片等)緊壓在斜切面法蘭上形成水室，可以較好地克服吸收式水負(fù)載的缺陷，實(shí)用性更好。測(cè)量出水負(fù)載水流入口處和流出口處的溫差，按公式(1)可得出水負(fù)載吸收微波功率轉(zhuǎn)換的熱量Pi。

Pi=cqVρΔT

(1)

式中：c——液體的比熱容，J/g·K；qV——液體的體積流量，cm3/s;ρ——液體的密度，g/cm3;ΔT——在負(fù)載液體出口和入口處所測(cè)得液體溫度差K。

圖4 水負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖

由公式(1)可知，增大流量qV或溫差ΔT就可增大Pi的大小，因此流動(dòng)式吸收體負(fù)載功率測(cè)量范圍擴(kuò)展性好，比較適用于微波中大功率的測(cè)量。電子科技大學(xué)采用這種流動(dòng)式水負(fù)載量熱測(cè)量微波功率的原理設(shè)計(jì)了一種寬帶微波功率計(jì)，其頻率范圍為(6.5～18)GHz，最大測(cè)量功率達(dá)到2000W[17，18]。

微波中功率干式負(fù)載量熱計(jì)一般有波導(dǎo)型和同軸型結(jié)構(gòu)微波負(fù)載兩種。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)干式負(fù)載一般采用導(dǎo)熱性好的固體材料(如陶瓷、羥基鐵等)作為微波吸收體填充整個(gè)波導(dǎo)，并應(yīng)用均勻漸變結(jié)構(gòu)提高阻抗匹配性[20，21]。為滿足功率容量，中功率固體吸收體的體積一般較大。文獻(xiàn)[21]介紹了一種采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)干式負(fù)載的X頻段的微波中功率量熱計(jì)，1W功率的測(cè)量不確定度約為4%(k=2)。

同軸型結(jié)構(gòu)的中功率干式負(fù)載通常是在同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體之間放置階梯型吸收體或者凹圓錐形吸收體，如圖5所示。吸收體的材料可以選取石墨與水泥混合物或者是帶有損耗的陶瓷等，也可采用功率較大的寬帶微波柱狀電阻產(chǎn)品作干式負(fù)載。

圖5 同軸型結(jié)構(gòu)干式負(fù)載示意圖

近年來(lái)，基于干式負(fù)載的冷卻液流量式微波中功率量熱測(cè)量方法在國(guó)外得到深入研究和應(yīng)用。圖6所示是一種基于冷卻液流量式的微波中功率量熱計(jì)的測(cè)量原理示意圖。射頻微波干式負(fù)載吸收微波功率后產(chǎn)生熱量，冷卻液流過(guò)射頻微波干式負(fù)載導(dǎo)熱面并吸收負(fù)載的熱量后升溫，通過(guò)溫度和流量傳感器分別精確測(cè)量出導(dǎo)熱面腔體冷卻液流入口處和流出口處的溫度差ΔT及液體的流量大小qV，根據(jù)公式(1)可計(jì)算得到冷卻液吸收的熱量，從而得出被測(cè)輸入微波功率大小。在測(cè)量微波中功率前，先輸入標(biāo)準(zhǔn)直流或低頻交流功率(如工頻)進(jìn)行功率測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)，可以提高這種流量式微波中功率量熱計(jì)的量值測(cè)量準(zhǔn)確性，并保證其量值溯源性。

應(yīng)用量熱法測(cè)量微波中功率需要注意采取充分的隔熱措施，減少輸入微波功率產(chǎn)生的熱量在其它器件上的損耗。應(yīng)用流量式量熱法測(cè)量中功率時(shí)，液體溫度升高后其比熱容、密度等特性參數(shù)將發(fā)生變化，采用公式(1)計(jì)算吸收熱量時(shí)需要代入準(zhǔn)確的c與ρ值，否則將引入測(cè)量系統(tǒng)誤差。

基于流量式量熱原理測(cè)量微波中功率的原理經(jīng)典，技術(shù)可行。美國(guó)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熱計(jì)，部分產(chǎn)品型號(hào)及技術(shù)性能見(jiàn)表1所列[22～24]。從表1知部分中功率量熱計(jì)的最大測(cè)量允許誤差達(dá)到0.5%，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于美國(guó)NIST的基于耦合衰減法構(gòu)建的中功率校準(zhǔn)系統(tǒng)。因此，在微波中功率高準(zhǔn)確度測(cè)量方面，流量式量熱法比耦合衰減法具有顯著優(yōu)勢(shì)，可作為目前寬帶微波中功率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先研究方向之一。

圖6 一種冷卻液流量式微波中功率量熱計(jì)原理示意圖

表1 幾種典型中功率量熱計(jì)產(chǎn)品Tab.1 Severaltypicalmedium-powercalorimeter型號(hào)測(cè)量范圍最大允差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 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)詳細(xì)介紹耦合衰減法和量熱法兩種主要微波中功率測(cè)量方法的原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)：耦合衰減法具有易構(gòu)建、溯源性好、可靠性高、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)，但準(zhǔn)確度有限，適用于對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高的情況；量熱法在微波中功率高準(zhǔn)確度測(cè)量方面具有優(yōu)勢(shì)，可作為建立微波中功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先研究方向之一。