標準功率座的計量確認方法

王林林 于 麒 韓曉明 宋萬博 楊 洋

（61236部隊，北京 100094）

1 引 言

隨著信號頻率的提升，信號在電路中傳輸的模型隨之改變，低頻普遍適用的用電流、電壓作為表征信號特性的參數不再適用于微波領域，因為微波信號在傳輸路線上的電流、電壓參數隨位置的改變而改變。功率是高頻和微波領域的基本參數之一，它表征了高頻和微波信源的傳輸特性［1］。微波功率的單位常用線性單位mW和對數單位dBm。

2 標準功率座的校準方法

功率計的種類很多。按照用途分類可以分為小功率計、中功率計、大功率計和脈沖功率計；根據接口形式可以分為同軸功率計和波導功率計；根據測量原理可以分為熱敏電阻功率計、熱電偶功率計、半導體薄膜熱電偶式和晶體二極管式功率計［2］。

為保證各種功率計的量值準確一致，需要建立功率標準將功率標準量值準確地傳遞到各級校準實驗室的標準功率計上［3］。由于理論研究較為成熟，各國標準實驗室采用量熱計法和微量熱計法建立微波功率標準。各級標準功率傳遞實驗室大多采用交替比較法、傳遞標準法和六端口法等［4］。

計量確認是為保證測量設備處于能滿足預期要求的狀態(tài)所需的一組操作［5］。標準功率座經上級計量技術機構校準完成回到實驗室后，實驗室職能負責人應對標準功率座及其證書進行計量確認，確保滿足本級計量機構量值傳遞要求［6］。

3 標準功率座的證書信息

標準功率座向上級溯源時，上級計量機構一般出具校準證書。包括：外觀檢查、校準因子和駐波比。

頻率為被測標準功率座的測試頻率點；校準值為上級計量機構傳遞的校準因子；U為k=2的測量結果的擴展不確定度。

在標準功率座的使用過程中，需要將校準因子值錄入對應的頻點上，進而才能讓功率計在測量過程中調取對應的最新的校準因子，標準功率座量值傳遞分散性取決于U，屬于按“等”使用的儀器。

每年溯源給定校準因子值，可以修正傳感器漂移帶來的誤差，同時給標準功率座的計量確認帶來一定的困難。

例如：在f頻點，出廠時校準因子為Kc0，當測量功率為P的被測信號時，功率傳感器檢出功率Pbc0，功率計顯示功率讀數Pbs0：

由于使用期間發(fā)生某一事件，使其校準因子發(fā)生較大改變，由Kc0改變?yōu)镵ct，并且保持穩(wěn)定：同樣在f頻點，再次溯源時校準因子為Kct，當它同樣測量P功率信號時，功率傳感器檢出功率Pbct，功率計顯示功率讀數Pbst：

可見，只要溯源時得到的校準因子準確，即使它發(fā)生了較大的變化，仍然能測得準確的功率值。為了進一步研究標準功率座的計量確認方法，我們引入測量兼容性的概念。

4 測量結果的計量兼容性

計量兼容性（metrological compatibility）：給定被測量的一組測量結果的特性，該特性為任何一對兩個不同的測量結果的測量值之差的絕對值小于該差值的標準測量不確定度的某個選定倍數［7］。

對于“兩個不同的測量結果”，我們選取最近兩次溯源時上級計量機構給定的校準因子校準值；對于“該差值的標準測量不確定度”，我們采用上級計量機構測量標準功率座時相應的測量不確定度；下面介紹如何確定“某個選定倍數”。

期間重復性測試可以得到測量結果的分散性參數，用實驗標準差表征［8］，在實際工作中用標準不確定度u替代，通常測量結果的置信概率p取0．95，置信因子k=2，測量結果的擴展不確定度U=ku=2u，即：u=0．5U；同理，利用測量兼容性描述不同時段進行測量的結果一致程度，用實驗的測量平均值來表征。

在標準功率座的證書信息中提到測量結果由校準值和測量不確定度組成，實際標準功率座的量值傳遞工作中，測量結果在分布區(qū)間的中心出現的概率最大，落在分布區(qū)間邊緣的概率比較小，測量結果近似服從正態(tài)分布，其概率分布如圖1所示。

圖1 測量結果的概率分布Fig.1 Probability distribution of measurement results

對于同一參數進行測試，測量結果的概率分布相同。“兩個不同的測量結果”的分布應該是分布區(qū)間寬度相同，分布區(qū)間中心發(fā)生平移，如圖2所示。

對兩次測量進行概率的疊加，得出兩次測量結果均包含在兩次分布曲線之下的概率分布，如圖3所示。

圖2 兩次測量結果的概率分布Fig.2 Probability distribution of two measurements

圖3 兩次測量結果的概率分布Fig.3 Probability distribution of two measurements

通過計算，得出兩次測量相差n個u（“某個選定倍數”）時的測量一致性，分布數據見表1，分布柱狀圖如圖4所示。

表1 正態(tài)分布下測量兼容性概率分布Tab.1 Measuring the probability distribution of compatibility under normal distribution

圖4 正態(tài)分布下測量兼容性概率分布Fig.4 Measuring the probability distribution of compatibility under normal distribution

5 計量確認方法

利用兩次校準結果的差值與測量結果的標準不確定度計算測量結果的計量兼容性，進而完成測量結果的計量確認工作。

當兩次測量結果計量兼容性大于2倍的u時，兩次結果的概率分布函數在P=95%的概率下時，小概率的“裙邊”并不產生交集，兩次測量之間就會有測量值落在圖中灰色地帶。既不在上一次的測量結果之內，又不在本次測量區(qū)間的覆蓋范圍之內，造成了測量結果的失控，屬于不合格范圍，如圖5所示。

圖5 計量兼容性大于2uFig.5 Measurement compatibility greater than 2u

當兩次測量結果的計量兼容性大于1倍的u，小于2倍的u時，兩次結果的概率分布函數在P=95%的概率下時，小概率的“裙邊”有一部分相疊交，按照本文的定義，兩次測量最高只有約30%的概率同時包含在兩次測量的范圍內。屬于危險范圍，如圖6所示。

圖6 計量兼容性大于u小于2uFig.6 Measurementcompatibilitygreaterthanuless than2u

當兩次測量結果計量兼容性小于1倍的u時，兩次結果的概率分布函數在P=95%的概率下時，概率分布的“裙邊”有一部分相疊交，按照本文的定義，兩次測量最高有80%的概率同時包含在兩次測量的范圍內，屬于良好范圍，如圖7所示。

圖7 計量兼容性小于uFig.7 Measurement compatibility is less than u

6 結束語

微波功率量值傳遞對我們日常工作十分重要。每年向上溯源得到的校準因子更是我們功率量值準確統一的保證，在正確用好校準因子的同時，我們希望對它進行更深入的研究，利用“橫向”“縱向”的大量數據，挖掘深埋在數據表面之下——儀器的狀態(tài)特征，為我們更好使用、維護小功率標準提供一種新的方法。因此，微波功率傳感器的確認方法可以參照本方法進行。

［1］王志田．無線電電子學計量上冊［M］．北京：原子能出版社，2002：3．

［2］王志田．無線電電子學計量上冊［M］．北京：原子能出版社，2002：8．

［3］賀同云．微波小功率檢定裝置的設計及其不確定度分析［J］．國外電子測量技術，2007，26（9）：31-33．

［4］劉穎,龔曉峰．一種微波功率計自動校準系統設計與實現［J］．現代電子技術，2012，35（11）：161-163．

［5］嚴宏劍．計量確認中有關計量驗證的探討［J］．中國新技術新產品，2012（13）：3．

［6］GJB 2172—2009，裝備質量保障中測量設備和測量過程的質量控制，中國人民解放軍總裝備部，2010：4．

［7］GJB 2715—2009，軍事計量通用術語，中國人民解放軍總裝備部，2009：18．

［8］鄭黨兒．JJF1033—2008《計量標準考核規(guī)范》輔導講座第五講新規(guī)范各條款的要點解釋之四［J］．工業(yè)計量，2011，21（3）：57-58．