30 kHz～30 MHz电压基准研究

何 昭， 黄见明， 田 伟

（中国计量科学研究院，北京 100029）

30 kHz～30 MHz电压基准研究

何 昭， 黄见明， 田 伟

（中国计量科学研究院，北京 100029）

中国计量科学研究院研制了30 kHz～30 MHz频率范围内基于同轴热电转换器的直流—交流电压转换器，并基于该转换器建立了该频段的低频电压基准装置。理论分析与实验验证结果表明：该基准装置在30 kHz～30 MHz频率范围内，0.1～100 V量程中，不确定度为0.01%～0.1%（k＝2），填补了现有国家电压计量基准装置在1～30 MHz频段范围内的空白。

计量学；同轴热电转换器；电压基准

1 概 述

在无线电计量领域中，电压是基本参量之一，在整个计量体系中具有基础性的重要地位。我国对电压计量一直非常重视，在无线电计量领域，建立了2个频段国家电压基准，即低频电压基准和射频电压基准。其中，低频电压基准频率范围为30 kHz～1 MHz，电压范围为0.25～100 V，准确度为±（0.004%～0.03%），采用同轴热电转换器作为测量元件；射频电压基准频率范围为30 MHz～3 GHz，电压范围为0.1～2 V，准确度为±（0.25%～0.7%），采用薄膜热变电阻作为测量元件。然而，从上述我国已建立的电压基准的频率范围可以看出，在交流电压计量领域，我国的基准尚未实现完全的频率覆盖，在被RFID等新兴信息产品所广泛使用的1～30 MHz频率范围内，国家交流电压基准仍属空白。

1995年，国际电磁咨询委员会（CCEM）组织了交流电压的国际比对，频率范围为1～50 MHz，并在后续比对过程中拓展到了100 MHz［1］，英、美、德等发达国家参与了该项比对，形成了世界范围内交流电压基准的国际互认。因此，建立和完善我国交流电压基准对增强国家在计量科学领域的国际竞争力具有重要意义。

2 原理与技术方案

2.1 基本原理

目前，各国计量机构的交流电压基准主要是通过采用AC-DC电压转换装置，将交流电压溯源到直流电压基准的方式予以建立［1～7］。我国建立的低频电压基准其核心元件是单腔的同轴热电转换器，不仅结构简单，且在较宽的频率范围内准确度高，稳定可靠。在30 kHz～30 MHz频率范围内建立电压基准，采用同轴热电转换器也是最理想的方案。

根据电磁场理论的分析，对于交变电场，只有横电磁波（TEM波）测量电压才有唯一值，在同轴线或同轴腔体中建立的电压能够满足这一条件。同轴热电转换器的结构见图1，外壳为一终端封闭的金属圆筒腔，沿腔体的轴线串联放置一高频或超高频真空热偶和一棒状限流电阻，腔的输入端为N型阴性精密同轴接头。图中T为超高频真空热偶，是实现交直流转换的关键元件，它是由一根加热丝和一对偶丝组成，它们之间的位置由一个玻璃小珠固定，小珠起到传导热和电气绝缘的作用。图中R为限流电阻，用于扩展量程，限流电阻采用棒状无感薄膜电阻，以减小分布参数影响并扩大工作频率范围。T与R串联，安装在同轴腔体的轴心线上，腔体材料选用无磁黄铜，可起到屏蔽作用，防止腔体内温度的散发和电磁场的辐射，同时也防止外界温度和电磁场干扰的影响，使装置稳定、可靠。

图1 同轴热电转换器结构示意图

式中，Vac为交流电压；Vdc为能产生与交流电压相同输出热电势的直流电压平均值。

2.2 同轴热电转换器的设计

作为低频电压基准装置的核心，本文使用一组共7只同轴热电转换器来覆盖所需要的电压范围，其中基本量程为0.5～1 V的同轴热电转换器。表1为同轴热电转换器的量程、限流电阻和热偶的组合。其中热偶均采用BEST公司生产的超高频真空

若在输入端进行直流电压和交流电压切换时，使它的输出热电势保持不变，在同轴热电转换器输入端的已知直流电压量值就传递给了该交流电压。若同轴热电转换器的交直流转换是理想的，产生相同热电势的交流电压与直流电压就应当完全相等。实际上，由于元器件、结构和频率的影响等，用相同效应的直流电压替代交流电压时，将会产生转换误差。通常用交直流转换误差S来表征转换器的工作性能，其定义式为热偶，加热丝电阻为90Ω或40Ω，限流电阻选用的是Vishay公司生产的高频棒状无感电阻，根据不同量程的需要，采用不同阻值的限流电阻。

表1 量程、限流电阻和热偶的组合

由于热偶加热丝段的分布电感和电容可以忽略，可以在结构尺寸上尽可能减小直流转换差。根据限流电阻的阻值及内径的实测数据和热偶加热丝电阻的测量数据计算同轴热电转换器的腔体内径，并考虑安装的要求，得到的同轴热电转换器的腔体尺寸见表2。

表2 同轴热电转换器内的腔体尺寸

考虑到安装热偶的要求，同轴热电转换器的内径尺寸不能小于30 mm，所以根据理论计算的尺寸可能无法实现。目前设计完成的同轴热电转换器中，量程在10 V以内的是按表2所示内径尺寸制作，量程超过10 V则由于计算得到尺寸无法实现而使用与量程为1～3 V的同轴热电转换器同样的尺寸。图2为设计完成的一组7只同轴热电转换器，金属腔体采用无磁黄铜材料，腔体外部镀镍处理。

2.3 低频电压基准装置

基于同轴热电转换器的基本原理，低频电压基准装置系统框图见图3。

图2 同轴热电转换器成品图

图3 低频电压基准装置系统框图

原低频电压基准使用的直流电压源为Fluke公司生产的5720A校准源，该校准源是目前准确度最高的电压源，其宽带选件可提供频率达30 MHz的电压输出；热偶电势测量使用2台34420A纳伏表进行测量；射频信号源用于提供电压信号，要求输出大，稳定性好及波形失真小，考虑到低频电压基准装置和射频电压基准装置可同时使用该仪器，选择了SMF100A信号发生器。

低频电压基准装置可通过GPIB总线实现自动测量，测量软件设计上主要包括测量仪器控制程序、根据不同被测对象实现的测量方法控制程序和数据计算与处理程序。

图4 低频电压定度装置

为了更好地进行低频电压的量值传递，设计制作了低频电压定度装置，见图4。低频电压定度装置通过程控开关可以方便地切换交流电压和直流电压，为了进一步减少交直流电压的相互影响，在设计中使用了2个开关，一个带有吸收负载，在功率允许的情况下，使用这个开关能提高交直流电压之间的隔离度。两个同轴热电转换器使用扁三通连接，扁三通是为了尽可能减少电压参考面的距离，保证电压测量的准确度。定度装置上面设计了一个有机玻璃罩子，用于隔绝空气流通，保证测量时的稳定性。

同轴热电转换器是通过逐级传递实现量值传递和溯源的，在一组同轴热电转换器中，准确度最高的一般是1 V量程的同轴热电转换器，再通过它向更高量程或更低量程进行传递。

3 测量不确定度评定

低频电压基准装置不确定度主要由两部分组成：一是基本误差引入的不确定度分量；二是频率附加误差引入的不确定度分量。

3.1 基本误差引入的不确定度

基本误差引入的不确定度来源主要包括：热偶的AC／DC转换误差、系统的噪声和漂移引入的误差、直流电压测量不准引入的误差、热电动势测量不准引入的误差和热偶绝缘珠引入的误差。

（1）热偶AC／DC转换误差引入的不确定度分量

热偶加热丝上由于汤姆逊效应和帕尔帖效应以及制造工艺、材料等的影响将产生交直流转换误差，这个误差理论上可根据Widdis FC给出的公式估算。另外根据热偶给出的正反向差也可估计出AC／DC转换差。通常会比正反向差小一个数量级。实际选用的真空热偶其正反向差为4×10－5，因此可以认为该误差为±1×10－5并服从均匀分布，k＝1.73，可得标准不确定度分量ua＝6×10－6。

（2）系统的噪声和漂移引入的不确定度分量

同轴热电转换器的噪声和漂移主要来源于限流电阻，热偶和环境温度变化和其他变化。

在设计过程中，对限流电阻R已采取措施，R的额定功率为1 W，实际使用时，功率在100 V时，仅为0.5 W，对于1 V标准量程的同轴热电转换器，额定功率是实际功率的300倍以上，功率余量较大，因此由R引起的漂移可以忽略不计。

热偶指示采用34420A纳伏表，该仪表自身的漂移和噪声均非常小，分辨力为0.1 nV。热电转换器内的热偶使用的是真空热偶，测量时整个系统保持温度恒定并且尽量隔绝空气流通，但由于热偶的温度系数较大，漂移仍然是不能忽略的。根据分析和实验测量，一般在1次测试周期内（以5 min计算），34420A纳伏表无测试信号输入时，系统零位变化在±30 nV范围内。对于同轴热电转换器工作量程的下限，即1 mV以上的热电势输出，相对变化为30×10－6，则相当转换器输入端电压变化小于15×10－6。按正态分布计算，k＝2，可得标准不确定度分量ub＝10×10－6。

（3）直流电压测量不准引入的不确定度分量

式中，ΔV／V为同轴热电转换器输入端电压变化；ΔE／E为同轴热电转换器输出端热电势变化。

由式中看出，热偶输出变化是输入变化的2倍。根据本文使用的量程范围和34 420 A的分辨力，其误差限约为±15×10－6，按均匀分布，k＝1.73，标准不确定度分量ud＝9×10－6。

（5）热偶绝缘珠引入的误差

热偶的加热丝与偶丝是通过玻璃小珠固定的，并起着热传导和电绝缘的作用。但它的绝缘电阻不可能为无限大，因此会产生泄漏电流，这个电流对珠子会产生一个附加热效应，此热效应使热偶温升的效率比加热丝产生的高，而且泄漏电流还使加热丝两端的电流不等。要减小这项误差，通常都是选用绝缘电阻尽可能高的玻璃小珠，降低热偶对地的电位等措施，误差一般小于10×10－6，按正态分布，取k＝2，可得标准不确定度分量ue＝5×10－6。

根据不确定度传播定律，可得基本误差引入的标准不确定度分量［8］为

替代交流电压的直流电压使用Fluke 5790A测量，其最大允许误差小于15×10－6，按均匀分布，k＝1.73，可得标准不确定度分量uc＝9×10－6。

（4）热电动势测量不准引入的不确定度分量

对于输出热电势为7 mV的热偶，满量程时7 mV，半量程为1.25 mV。同轴热电转换器的热电势输出由纳伏表34 420 A进行测量，热偶输出变化与输入变化有如下近似关系

3.2 频率附加误差引入的不确定度

频率附加误差各分量的评定依据如下：

（1）输入接头引入的不确定度分量

实际使用N型阴性接头为输入接头，从输入接头内导体端点到限流电阻R的距离为10 mm左右，这样一根内导体在1～30 MHz时的引线电感量约为10 nH，此外N型接头内导体与外导体之间还有分布电容存在，这些分布参数均将引入误差。在1 MHz时，引入的误差约4×10－6；10 MHz时，引入的误差约40×10－6；30 MHz时，引入的误差约220×10－6。按均匀分布计算该标准不确定度分量

u1。

（2）趋肤效应引入的不确定度分量

当工作频率升高时，AC电流在导体中流动会发生趋肤效应。发生趋肤效应时，电流不再流过整个导体。这时，导体的电阻将随着频率的平方根而增加。对于低电压量程的转换器，由于串联电阻变小，到1 MHz以上趋肤效应的影响变显著了，它与电压量程有关。

转换器额定电压在3 V以下，按均匀分布计算，标准不确定度分量为：在1 MHz时，误差约50×10－6；在10 MHz时，误差约100×10－6；在30 MHz时，误差约200×10－6，随着电压的升高，趋肤效应的影响减小。按均匀分布计算该标准不确定度分量u2。

（3）热偶高频误差引入的不确定度分量

由于热偶存在着引线电感和分布电容及加热丝趋肤效应等影响，在交直流替代测量时，会产生附加的频率误差。本文在设计同轴热电转换器时，做出了一些假设，而在实际中，热偶的分布参数会引入测量误差，对于本文选用的真空热偶，其Rh＝90Ω，Ch＜0.3 pF，Lh＜10 nH。根据传输线理论，按照实际元件的参数对误差进行估计，按均匀分布计算该标准不确定度分量u3。

（4）限流电阻引入的不确定度分量

同轴热电转换器高频误差主要来源于限流电阻R部分，其误差与RC时间常数有关，RC时间常数越大，引入的误差也越大，本文使用的电阻R是棒状金属膜电阻，因此电阻R部分可近似于无损耗均匀传输线。

对高压量程可以把R部分近似地看成短路同轴传输线；对低压量程，可以把R部分看成有集中电阻负载的同轴线。按均匀分布计算该标准不确定度分量u4。

（5）其它不确定度分量

除上述分析的不确定度分量外，还有一些影响也不能忽略，它们为：（a）限流电阻到真空热偶连接引线的影响引入的不确定度分量；（b）真空热偶到腔体连接引线引入的不确定度分量。

由于这些不确定度分量难以准确分析，对这些不确定度分量的总体大小，参考第（1）项输入接头引入的不确定度分量进行估计，考虑到两段引线，按第（1）项误差大小放大2倍进行估计，在1 MHz时，引入的误差约8×10－6；10MHz时，引入的误差约80×10－6；30 MHz时，引入的误差约440× 10－6。按均匀分布计算该标准不确定度分量u5。

频率附加误差各分量的评定结果见表3［3］。

根据不确定度传播定律，可得频率附加误差引入的不确定度为

3.3 合成不确定度

合成标准不确定度为取k＝2，计算的合成标准不确定度与扩展不确定度见表4。

表3 频率附加误差引入的不确定度×10－6

表4 标准不确定度与扩展不确定度

4 实验验证

使用2种不同的实验方案对同轴热电转换器的理论分析结果进行实验验证：一种方案为使用研制的同轴热电转换器与高准确度的交流测量标准和同轴热电转换器进行比对测量，验证基准装置的不确定度；另一种方案为与PTB／IPHT研制的频率范围为1 kHz～1 MHz的同轴热电转换器（交直流转换差＜20×10－6）进行比对测量，同时使用阻抗分析仪对同轴热电转换器在不同频率时的阻抗变化测量，以达到间接验证的效果。

4.1 直接验证

在30 kHz～1 MHz频率范围内选取了1 kHz、30 kHz、100 kHz和1 MHz共4个频率点，分别使用0.1 V，1 V，10 V和100 V共4个量程的同轴热电转换器，在0.08 V，0.8 V，8 V和80 V电压处进行比对测量。测量时使用FLUKE公司的5720A校准源提供电压，同轴热电转换器测量值uco与FLUKE公司的5790A交流测量标准的低频电压测量值us的比对结果见表5。在4个频率点处的最大偏差分别为0.0042%、0.01%、0.016%和0.04%。

Ballantine公司生产的同轴热电转换器准确度为±（0.1%～1%），在1～30 MHz频率范围内，分别选取了1 MHz、10 MHz和30 MHz共3个频率点与Ballantine公司生产的同轴热电转换器进行了比对测量，测试点选择100 mV、0.8 V和3.2 V，测量结果见表6。在3个频率点处的最大偏差分别为0.019%、0.16%和0.28%。

表5 1 kHz～1 MHz电压比对测量

表6 1～30 MHz电压比对测试

4.2 间接验证

由理论分析可知，基准装置的不确定度主要由交直流转换差决定。因此，在1 kHz～1 MHz与PTB／IPHT研制的同轴热电转换器进行交直流转换差比对测量，结果见图5。在4个频率点处的交直流转换差的偏差分别为25×10－6、61×10－6、72 ×10－6和87×10－6。

图5 与PTB／IPHT同轴热电转换器比对测试

此外，作为重要（在较高频率时为主要）的误差分量，频率附加误差分量主要由不同频率时同轴热电转换器的阻抗变化所决定。因此，在1～30 MHz使用射频阻抗分析仪E4991A对同轴热电转换器的阻抗变化进行测量，以1 MHz的阻抗值为参考点，测量结果见图6。1～30 MHz频率范围内的阻抗波动随频率的增加总体呈现上升的趋势，最大偏差为0.06%。

图6 同轴热电转换器的阻抗变化测试

间接验证的结果表明，同轴热电转换器的交直流转换差和频率附加误差的测量结果，与对基准装置不确定度的理论分析结果保持较好的一致性。

综合以上理论分析与试验验证结果，低频电压基准装置指标见表7。

表7 低频电压基准装置不确定度指标

5 结 论

中国计量科学研究院基于同轴热电转换器建立的30 kHz～30 MHz电压基准装置，在0.1～100 V量程中，不确定度为0.01%～0.1%（k＝2）。该基准填补了1～30 MHz频段范围内国家电压计量基准的空白，进一步完善了国家电压量值传递体系。

［1］ Dierikx E F，Mullem van C J，Vreede de J PM.Key Comparison CCEM-K6.c of AC-DC Voltage Transfer Standards at Selected Frequencies between 1 MHz and 100 MHz［C］／／Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest，England，London，2004.

［2］ Kinard J R，Cai T X.Determination of AC-DC difference in the 0.1～100 MHz frequency range［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1989，38（2）：360-367.

［3］ Kinard J R，Zhen Z，Huang D X，et al. Intercomparison of thermal converters at NIM，NIST， PTB，SIRI，and VSL from 10～100 MHz［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1993，42（2）：618-621.

［4］ Mullem van C J，JanssenW JG D，Vreede de JPM. Evaluation of the calculable high frequency AC-DC standard［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1997，46（2）：361-364.

［5］ Clark R F，Filipski PS，Paulusse C.Improvements in the NRC AC-DC transfer capabilities［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1997，46（2）：365-368..

［6］ Filipski P S，Clark R F，Paulusse D C.Calorimetric thermal voltage converter as a wideband calculable standard of AC-DC difference［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1999，48（2）：387-390.

［7］ Scarioni L，Klonz M，Funck T，et al.Quartz thinfilm multijunction thermal converters with built-in tee connector for 100 MHz［J］.IEEE Trans Instrum Meas，2007，56（2）：571-575.

［8］ Scarioni L，Lipe T E，Kinard J R.Design and fabrication of MJTCs on quartz substrates at NIST［J］.IEEE Trans Instrum Meas，2009，58（4）：868-871.

Research on the National Voltage Standard for 30 kHz～30 MHz

HE Zhao， HUANG Jian-ming， TIANWei
（National Institute of Metrology，Beijing100029，China）

Based on coaxial thermal voltage converters，the national voltage standard for 30 kHz～30 MHz has been established by National Institute of Metrology（NIM）.The results of theoretical analysis and experiments indicate that in the frequency band of30 kHz to 30 MHz and voltage range 0.1 V to100 V，the uncertainty is0.01%to0.1%（k＝2）. This accomplishment has filled the gap of the national voltage standard in 1～30 MHz.

Metrology；Coaxial thermal voltage converter；Voltage standard

TB973

A

1000-1158（2014）06-0528-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．02

2014-06-28；

2014-08-27

何昭（1968－），男，内蒙古呼和浩特人，中国计量科学研究院副研究员，硕士，研究方向为无线电计量、射频信号测量。hezhao＠nim.ac.cn