高频和微波功率基准及其应用研究----国内外研究现状

如图1-7所示，MavPherson和Kerns的设计将热电堆安放在座的外面，1958年日本ETL的Omori和Sakurai [42]在研制他们的微量热计时，通过研究提出，改变热电堆的位置有可能进一步减小误差。随后，1959年美国NIST的Engen在他的（8-12）GHz的微量热计设计中做了改进，将热电堆移到与功率座紧密连接的波导法兰盘处。这样更容易在不妨碍热电堆工作的前提下，移走功率座，从而减少误差，测量不确定度小于0.2%.由于镇流电阻频率特性差，而热变电阻灵敏度较低，所以在热敏电阻功率座出现后，各国大多改用热敏电阻功率座用于微量热计功率基准。

自1959年以来，美国NIST建立了18GHz～110GHz多个单负载波导微量热计功率基准，不确定度在（0.2～0.8）%以内，还建立了10MHz～18GHz同轴APC7/N型微量热计功率基准。在2000年左右用类热敏电阻座建立了50MHz～50GHz同轴2.4 mm接头微量热计功率基准。

自1970年以来，德国PTB建立了8.2～40GHz多个双负载波导微量热计功率基准，还建立了10MHz～8GHz（14mm接头）、10MHz～18GHz（APC7/N）、10MHz～26.5GHz（3.5mm接头）双负载同轴微量热计功率基]。

自1972年以来，英国NPL研制了一组单负载波导微量热计，在8.2GHz到35GHz之间不确定度为0.1%到0.3%，到110GHz时，不确定度为0.5% 。

自2002年以来，意大利IEN研制了7mm和3.5mm接头的同轴微量热计功率基准，不确定度为（0.2~0.5）% 。

中国计量科学研究院在1987年研制出了（12.4～18）GHz 和（26.5～40）GHz 两个单负载波导微量热计功率基准，测量不确定度在0.5%以内。

上述微量热计的设计基本相同，均通过测量热敏电阻功率座壁的温升来测量有效效率。1974年加拿大NRC的Clark研制了第一个使用反馈电路的自动化微量热计，它是一个单负载微量热计，用来校准商用波导和同轴热敏电阻座，其反馈电路用来对紧挨着热电堆放置的辅助加热器的加热功率进行控制，保证功率座壁的温度不变。随后出现了一些使用制冷元件代替辅助加热器的微量热计 。日本ETL的Inoue等研制了一个自动反馈的微量热计系统，工作在35GHz，它不仅使用了塞贝克效应制冷元件，也使用了辅助加热器，如图1-8所示。

采用自动反馈设计能有效的缩短微量热计的读数时间，但却影响对输入传输线损耗的准确评估，由于在微量热计中定标后的热敏电阻功率座作为工作标准使用，其功率测量的读数时间很短，所以大多数功率基准没有采用自动反馈设计。

总结以往研制的功率基准可以发现，量热计的优点在于：理论完善[59]，测量误差来源少，不确定度评定简单可靠，缺点是体积过大，不能用于直接测量功率，在向下级传递量值时，所需时间较长。微量热计的优点在于：理论上的测量不确定度比量热计小，测辐射热座定标后可以取出用于直接功率测量，工作标准在向下级传递量值时，所需时间很短，缺点是直接采用量热计理论，深入的理论分析少，测量误差来源多，不确定度评定容易漏项或多项。

2）量值传递系统：功率基准向量值传递系统的传递以及量值传递系统内部的传递是将功率基准的量值向下传递，所以功率范围是由功率基准决定的，一般在（1～10）mW.实际使用的传递方法归纳起来有以下几种：

a）交替比较法：将标准功率计和被校功率计连接到稳定的微波信号源上进行比较。这种方法引入的测量不确定度可能较大，但简单易行，在测量不确定度要求不高的情况下广泛采用，大功率和脉冲功率量值传递也可以采用。虽然在量值传递系统中很少使用，但交替比较法是其他方法的基础。

b）定向耦合器法：定向耦合器法是由Weinschel在交替比较法的基础上提出的。是在定向耦合器（或两电阻功率分配器）的一个输出端接一个参考功率计，利用参考功率计的读数对微波信号源进行外稳幅，从而在另一个输出端口获得具有低输出反射系数的等效信号源，定向耦合器－参考功率计组合也被称为功率传递标准。该方法引入了功率传递标准校准因子的概念，不需标准功率计也可进行量值传递，所以广泛应用于微波中、小功率量值传递，我国功率量值传递系统中使用了很多Weinschel生产的功率传递标准。

c）直接比较法：美国NIST在交替比较法的基础上，提出了直接比较法。是在已知特性的三端口器件，如功率分配器、定向耦合器的一个输出端连接一个参考功率计，另一个输出端依次连接标准功率计和被校功率计，在三端口器件输入高频或微波功率时两个功率计同时读数。直接比较法与定向耦合器法的原理基本相同，区别是用同时读数代替信号源稳幅。这种方法适于短期少量的量值传递或比对。

d）反射计法：采用调