高频和微波功率基准及其应用研究----国内外研究现状

1.2.4量值体系的发展现状和不足

目前量值体系的发展现状和不足如下：

1）功率基准：功率基准用来复现功率量值，准确度最高，如1.2.2所述，一般采用量热计或微量热计。

a）量热计最早的宽带干式双负载量热计设计出现在1958年Sweet等人的论文中，如图1-4所示。虽然它们的准确度一般，同轴量热计的不确定度为2%，波导量热计的不确定度为1%到2.5%.但是，这些设计确定了干负载量热计发展的大体方向。

量热计的技术难点在于输入传输线和系统时间常数，如何准确测量出输入传输线的损耗，如何减小外部环境通过输入传输线对量热计测量结果的影响，如何在保证测量准确度的前提下尽量缩短系统时间常数一直是量热计功率基准研究的重点。

在1966年，加拿大NRC的Jurkus设计研制了14毫米精密连接头同轴量热计，如图1-5所示，其测量频率范围为（0～6）GHz，测量不确定度为0.37%.20世纪80年代Jurkus又研制了7毫米精密连接头同轴量热计[34]，其测量频率范围为（0～18）GHz，测量不确定度为0.5%.这两种量热计均是双负载型，工作负载和参考负载放置在一个双层隔热铝屏蔽罩内。温度传感器是热电堆，负载通过金属薄壁隔热传输线与环境热隔离，移去负载后，可以对隔热传输线的衰减进行测量。负载的外表面是锥形的，这样可以减少质量，从而使时间常数减小。尽管如此，时间常数也有2.5分钟，读数时间需要25分钟。在后期的改进中，采取了自动反馈电路，读数时间缩短到3分钟。

随后1968年，美国NIST的Crawford也研制出了采用类似设计的7毫米毫米精密连接头同轴量热计，频率范围0～4GHz，测量不确定度0.35%，使用表面镀金的玻璃棒来作内导体，同样采取了自动反馈电路使读数时间小于3分钟。图1-6是自动反馈式量热计的示意图。

中国计量科学研究院也在1978年研制了14毫米精密连接头同轴量热计，基本设计与NRC的14毫米精密连接头同轴量热计相同，使用了环氧树脂表面镀金来作内导体和外导体，并采用了自动反馈设计。频率范围1GHz～8.2GHz，测量不确定度（0.17～0.26）%。

自1972年以来，英国NPL的Fantom和Ascroft等采用了与NRC相似的设计，研制了14毫米、7毫米、3.5毫米和2.4毫米接头同轴量热计，频率范围覆盖（0～50）GHz.这些量热计将热电堆安装在隔热传输线和负载之间的位置，从而减少负载热传递特性对测量结果的影响，并应用了反馈电路来降低其响应时间。此外，使用了表面镀金的玻璃棒来作隔热传输线的内导体，表面镀金的薄壁不锈钢管作为外导体。

中国计量科学研究院1963年研制的3厘米波导量热计功率基准是世界上最早的波导量热计功率基准，设计上基本沿用最早的宽带双负载量热计设计，频率范围8.2GHz~12.4GHz，测量不确定度为0.28%～0.77%.用蒸发了电阻膜的玻璃基片作吸收元件，吸收元件安装在薄壁银波导中，银不仅热传导率高，而且单位体积的热容也更小。温度传感器是一个热电堆，它用来感应整个波导上的平均温度。使用双层隔热屏蔽罩和塑料镀银的隔热传输线使量热计内部不受周围温度波动影响。由于采用冷热循环法而没有采用自动反馈设计，所以读数时间很长，在1个半小时以上。

20世纪70年代英国NPL的Yokoshima采用了一种新型的波导量热计结构研制了频率范围为60GHz到90GHz的波导功率基准，基准的测量不确定度为0.7%.在这种量热计中，主要的温度传感器是一个安置在负载上的电阻温度计，另有一个热敏电阻作为第二个温度传感器安置在负载的输入末端，用来修正隔热传输线损耗带来的热影响。采用两个电阻温度计的布局，比常规的布局有更大的自由度，有利于测量直流替代的效率。

近几年随着对毫米波测量的溯源需求不断增加，芬兰等国家研制了频率在110GHz以上的量热计功率标准，其测量不确定度小于2％。

b）微量热计：波导量热计没有被大量用作功率基准的原因是波导微量热计更容易获得较高的测量准确度。微量热计可以看作是量热计的一种，负载是一个测辐射热功率座，测量的目的是定标功率座的有效效率。在测量结束后，功率座被移出量热计，作为工作标准。和量热计相比，量热计的技术难点在于如何准确评估出输入传输线的损耗对测量结果的影响，如何减小外部环境通过输入传输线对测量结果的影响。

1955年美国NIST的MavPherson和Kerns设计的微量热计是所有微量热计的基础，这种微量热计最初是设计用来改进波导镇流电阻座的有效效率估计的。如图1-7所示，由于这种微量热计在输入传输线与功率座间留有空气隙，所以不用考虑输入传输线热损耗的影响。MacPherson和Kerns只考虑了两个误差来源，一个是热电堆对测辐射热元件和功率座壁热敏感度的差异，一个是在测热电阻线中微波和直流功率温度散布的不同。