毫米波WR-15（50～75 GHz）国家功率基准的研制

崔孝海， 李 勇， 张淑溢， 孙伟杰

（1.中国计量科学研究院，北京100029； 2.北京交通大学，北京 100044）

毫米波WR-15（50～75 GHz）国家功率基准的研制

崔孝海1， 李 勇1， 张淑溢2， 孙伟杰2

（1.中国计量科学研究院，北京100029； 2.北京交通大学，北京 100044）

介绍了一种基于热敏电阻功率座的对称双线结构的WR-15（50～75 GHz）矩形波导微量热计的设计及传递标准有效效率计算方法。给出了功率基准热电堆测量曲线及该频段毫米波功率传递标准量值结果。该微量热计将作为我国50～75 GHz毫米波功率基准，将我国的毫米波功率测量能力提高到75 GHz。

计量学；毫米波功率；基准；微量热计

1 引 言

随着毫米波技术的发展，毫米波器件及设备在民用通信、军用雷达、卫星遥感、医学成像等多个领域获得广泛应用。毫米波技术研究及毫米波产品质量控制均离不开毫米波功率测量，建立相应波段的毫米波功率基准成为重要而紧迫的任务。

无线电功率是国际计量局（BIPM）定义的7个无线电关键参数（功率、电压、噪声、衰减、阻抗S参数、天线、场强）之一，也是无线电计量体系中最基本、最重要的关键参数，其它众多无线电参数需要直接或间接溯源到无线电功率。作为无线电技术的新兴领域，毫米波近年来有了长足发展，许多技术已经有产品问世。如毫米波信号源已经突破了110 GHz，毫米波网络分析仪已经突破了无线电频带极限300 GHz，进入亚毫米波频段。BIPM的电磁咨询委员会（CCEM）射频工作组已经确定近期开展更多的毫米波功率国际关键比对，以支撑国际多边互认（MRA）。因此，建立更高频率的毫米波功率基准显得尤为重要。

中国计量科学研究院自2006年以来，建立了一系列的毫米波功率基准，频率覆盖到了60 GHz。刚刚完成的WR-22（33～50 GHz）功率基准正在参加CCEM射频工作组组织的国际关键比对，比对号CCEM.RF-K25.W，该比对由德国物理技术研究院（PTB）主持，全球10个国家参加，均为无线电工业发达国家。

毫米波功率国家基准采用量热技术，采用直流与毫米波在相同量热体上产生相同温度变化的情况下，建立毫米波功率与直流（或低频）功率之间的等效关系，从而以直流（或低频）功率值来表征毫米波功率值，实现了毫米波功率溯源到7个基本单位［1］。本文介绍的WR-15功率基准频率范围为50～75 GHz，用以定标WR-15热敏电阻座的有效效率，它可将我国的无线电功率测量能力提升到75 GHz，定标后的功率传递标准可以校准SMA、N、3.5 mm、2.92 mm、2.4 mm、1.85 mm等多种同轴形式及WR-42、WR-28、WR-22、WR-19、WR-15等多种矩形波导形式的功率传感器，基本满足我国国内无线电工业和技术对功率的测量需求。

2 基准系统设计

2.1 测量系统

测量系统由功率基准主体——微量热计（密封铜桶及内部结构）、毫米波信号源、四线功率计、纳伏表及毫米波器件、电缆组成。测量系统可以定出传递标准的有效效率，传递标准是商用热敏电阻座。毫米波信号源为系统提供稳定的信号激励。为避免复杂的源反射系数测量，信号源系统的末端接有定向耦合器，测量过程中检测其旁臂输出功率。微量热计通过热敏电阻座座壁温升的测量获得净功率中未被替代的那一部分功率值，温升转化为热偶的热电势后由纳伏表测得。

图1 WR-15微量热计测量系统

为保证功率基准系统具有良好的重复性、稳定性以及准确性，首先要确保系统的高信噪比。为使功率敏感元件工作在温度稳定、热传导分布均匀的工作环境中，基准将微量热计及被测功率座设计在密封铜质桶内，桶悬置在恒温水槽中。恒温水槽可以将槽内水温控制在1 mK／℃的水平。由于基准系统每次重新连接后，一次全频段测量时间超过40 h，因此需要有一个恒温恒湿的实验环境。实际工作时实验室温度控制在（23±1）℃，湿度控制在（50± 10）%RH。

四线功率计为电流自平衡式功率计，不加毫米波功率时微量热计工作端的热敏电阻座被偏置在约30 mW的直流电平上，稳幅控制器通过四线功率计及稳幅参考源之间偏差来控制毫米波信号源的调幅，从而达到稳幅的目的。图1为该功率基准测量系统示意图。

2.2 微量热计设计

微量热计设计为对称双线结构，见图2，可分为3部分：毫米波信号传输及传感部件、对称热参考部件、外围辅助部件。毫米波信号传输及传感部件包括输入波导、工作线（底盘连接器、隔热波导传输线，简称“隔热段”、接触法兰、热敏电阻座）、热电堆，该部分主要作用是毫米波信号传输、功率吸收及传感、传输热电势信号；对称热参考部件为参考线（由底盘连接器、隔热段、接触法兰、热敏电阻座组成），与工作线结构一致，该部分主要作用是热参考。此结构称为“对称双线”或“孪生双线”结构；外围辅助部分包括：底盘、密封圈、桶盖、导线管、支撑柱、手柄及紧固螺钉等，该部分主要作用是密封、连接。热电堆是商用热耦，将接触两端的温差转换为热电势。隔热段是一段6 mm厚的表面镀金的ABS塑料材料的矩形波导，把它放置在接触法兰和底盘连接器之间。用来提高热敏电阻座与底盘连接器之间的热阻，从而提高工作线与参考线之间的温差，改善热电堆输出电压的信噪比。将工作端及参考端均罩上约0.25 mm厚的镀金铜罩，用于降低工作端热敏电阻座的热辐射。整个微量热计的金属部件均为导热性能好、强度高的黄铜加工而成。

热敏电阻座内的功率敏感元件为一个负温度系数的热敏电阻珠，既能吸收直流功率，也能吸收毫米波功率。不加毫米波功率时，四线功率计将其平衡为200Ω，加入毫米波信号后，功率敏感元件阻值因吸收功率而发生变化，为维持电桥平衡，四线功率计将自动地降低直流功率。这种通过直流功率变化量来表征毫米波功率的方法，称为直流替代方法。

如上所述，微量热计首先要提供一个确保热敏电阻座温度稳定且均匀的工作环境，但由于测量时间长达40 h，长期温度漂移问题较难解决。本微量热计采用双线对称结构控制，测量工作端与参考端之间的相对温差，能够有效地抑制基准长期温度漂移问题。

3 测量原理

热敏电阻座的有效效率ηe是通过下式来计算的［2］

式中，e和v分别为热电堆和四线功率计电压，下标“on”和“off”表示毫米波信号源开和关的情况；ηun为未修正有效效率；修正因子g是为了修正微量热计测量中其它位置（隔热段、接触法兰等）吸收了毫米波功率对热电堆的影响

式中，c为微量热计中隔热波导传输线损耗的毫米波功率对热电堆的影响因子；s为微量热计损耗的毫米波功率与热敏电阻座吸收的净功率之比。为了确定隔热波导传输线对热电堆的影响，可以在接触法兰和热敏电阻座之间放置一个平整光滑的薄铜片，称之为短路器，使热敏电阻座吸收毫米波功率为零，隔热波导传输线单独吸收毫米波功率，称之为短路器测量。

修正因子的计算式为

图2 微量热计实物图

式中，ΓM为功率座的反射系数；ΓFS为短路器的反射系数；k1为热电堆输出对于功率的比例因子；PI为入射毫米波功率；eFS为短路器测量时的热电堆平衡输出。

4 测量结果

图3为WR-15微量热计热电堆输出曲线，被测件为某商用50～75 GHz热敏电阻座。由于受毫米波信号源的限制，仅做了50～69 GHz频率范围测量，频率间隔为1 GHz。实验室正积极落实110 GHz毫米波信号源，不久即可完成全频段测量。测量过程的开始和结束均为关闭毫米波功率状态，中间为测量频率点扫描过程，频率点之间切换时关闭信号源30 s，整个测量采用软件自动控制，并根据测量记录自动判断平衡状态。平均每个频率点测量时间约85 min，整个频段测量时间近27 h。

图3 WR-15微量热计热电堆输出曲线

由图3可以看出，测量开始及结束，热电堆基线比较平坦，27 h漂移不超过0.03‰，说明微量热计中温度非常稳定。图4给出了由测量结果计算得到的热敏电阻座有效效率曲线。通过多次连接测量，有效效率测量值多次（3次以上）连接重复性优于0.3%。

5 结 论

本文提出了基于对称双线结构的微量热计设计方法，该微量热计将作为我国WR-15（50～75 GHz）毫米波功率基准。测量结果表明，该微量热计运行稳定，这种基于热敏电阻功率座的对称双线结构能够较好地克服实验室温度变化，获得准确的有效效率量值，下一步工作是对整个微量热计系统进行不确定度评定，开展量值传递工作，并计划参加该频段的国际比对。

图4 WR-15微量热计某热敏电阻座有效效率曲线

［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，Fred 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，中国计量科学研究院副研究员，博士，主要从事微波功率基标准的研究。cuixh＠nim.ac.cn