微波中功率測量技術發展綜述

溫世仁 郝志坤 張正龍 王麗娟 楊 靜

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

功率是微波領域的基本參數之一，它表征了微波信源的傳輸特性[1]。在無線電測量系統中常常需要測量發射設備的輸出功率和接收設備的靈敏度，這就需要測量各種信號的功率大小。微波功率測量是基于將微波能量轉換成熱、力、直流或低頻電量等能量形式后加以測量的，一般將功率測量儀器稱為功率計。

在國內計量領域，通常將大于1W并小于100W的微波連續波功率稱為微波中功率，將大于100W的微波功率稱為大功率[1]。隨著微波功率測量技術和儀器的發展，微波中功率的包含范圍也在發展。在國家計量技術規范《JJF 1386-2013中功率計校準規范》中，中功率計的測量范圍涵蓋了(0.1～500)W。國外文獻中常把1W以上的微波功率稱之為高功率(high power)[2]。

常用的微波中功率的測量方法可分成兩類：一類是基于微波小功率測量裝置的定向耦合器法、衰減器法或耦合器與衰減器級聯法，將這一類統稱為耦合衰減法；另一類是微波中功率直接量熱測量法，簡稱量熱法。本文主要介紹這兩類微波中功率測量方法的原理及國內外發展情況，并總結其各自的應用特點。

2 耦合衰減法

耦合衰減法是指通過應用定向耦合器、衰減器或它們的級聯組合把被測微波功率耦合或衰減至小功率計的測量范圍，由微波小功率計或小功率測量裝置測量出該小功率值后，再根據已知的衰減量或耦合系數計算得到被測微波功率大小的方法。圖1(a)、(b)分別為應用衰減器、耦合器的耦合衰減法微波中功率測量框圖。

圖1 耦合衰減法微波中功率測量框圖

目前，微波小功率的測量技術比較成熟，測量方法和測量設備比較完善，測量準確度較高，不少國家建立了基于小功率量熱計或微量熱計的微波小功率標準裝置，測量不確定度達到0.2%[3]。因此，利用微波小功率計或小功率測量裝置采用耦合衰減法構建射頻微波中功率測試裝置比較容易實現，并具有較好的溯源性。且由于衰減器和耦合器均為無源器件，測量鏈路構建后性能穩定，因此耦合衰減法的測量可靠性比較好。國軍標《GJB 2678-96雷達發射機分系統性能測試方法：功率、效率、負載特性》推薦采用此方法進行微波中功率測試。文獻[4]介紹了一種采用微波小功率計和一個40dB中功率衰減器構建的微波中功率測量裝置，功率測量范圍達到50W，擴展測量不確定度小于5%(k=2)，能滿足對準確度要求不太高的微波中功率測量需求。當采用準確度更高的微波小功率傳遞標準或量熱計、微量熱計小功率標準裝置替代普通微波小功率計，能大大提高采用耦合衰減法測量微波中功率的準確度，可用于建立微波中功率量值溯源標準裝置。國內有專業計量機構采用精密小功率量熱計與100W精密衰減器與組建了寬帶微波中功率計量標準裝置，中功率校準因子的合成不確定度達到1.4%[5]；其它一些計量部門利用SYSTEM-Ⅱ微波小功率標準或其它功率傳遞標準，采用耦合衰減法構建了微波中功率測量標準裝置[6～10]。

利用多個微波中大功率定向耦合器或衰減器進行級聯連接，可以擴展耦合衰減法微波中功率測量裝置的測量范圍。美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)通過應用多個定向耦合器和衰減器級聯的方法，構建了一套連續波中大功率自動校準系統[11,12](如圖2所示)，把射頻微波中大功率量值精確溯源至微波小功率基準。其測量范圍為：(10～400)MHz、(1～500)W，(10～30)MHz、(1～1000)W，合成測量不確定度達到0.77%。美國國家標準局(National Bureau of Standards，NBS)應用多個定向耦合器級聯，把微波功率測量范圍擴展至1MW，測量不確定度達到2.7%[2]。

圖2 NIST連續波中大功率校準系統

耦合衰減法測量微波中功率的測量不確定度主要來源于微波小功率計或小功率測量裝置、衰減器、耦合器以及端口連接失配等。定向耦合器的耦合系數、衰減器的衰減量值、端口的電壓駐波比通常都是在常溫和小功率條件下定標或校準的。當通過中大功率時，器件溫度升高，衰減器的衰減量、耦合器的耦合系數、以及它們的端口電壓駐波比等都將發生變化，這些變化會引入額外的測量不確定度，降低中功率測量的準確度。這些特性參數的變化量可通過實驗精確測量或根據廠家提供的相關數據曲線獲得[4～8]。

綜上述，耦合衰減法微波中功率測量技術具有以下特點：(1)易構建、溯源性好，(2)可靠性高，(3)測量擴展性好，(4)測量準確性有限，不確定度評定復雜。耦合衰減法的中功率測量準確度不僅受限于小功率量值的測量不確定度、衰減器與定向耦合器小功率條件下的校準不確定度，還要受到中大功率測量下衰減量、端口電壓駐波比等變化并引入的額外系統誤差的影響，因此，耦合衰減法的功率測量準確度有限，且包含的測量不確定度分量比較多、評定復雜。

3 量熱法

量熱法微波功率測量的原理是熱力學第一定律即能量守恒定律。它通過測量能量吸收體所吸收的微波轉換熱量推算出輸入微波功率的大小。采用量熱法實現微波中功率測量的儀器或裝置可稱為微波中功率量熱計。根據能量吸收體的形態可將中功率量熱計分為干式負載量熱計和流量式量熱計兩類。

流量式量熱計常用水、油、酒精或混合液等液體作能量吸收體，液體可以是靜止或流動的。流量式量熱計通過測量液體吸收熱量后的溫度、體積等特征的變化量來得出輸入微波功率的大小。圖3是一種靜止式液體能量吸收體的微波功率量熱計結構示意圖[13]。微波中大功率通過金屬波導輻射至量熱計中的液體，如酒精，酒精吸收功率后溫度升高、體積膨脹，毛細管電容器的酒精液位將升高。測量出酒精的溫度變化量或體積膨脹量就可以推算出酒精吸收的微波功率大小。酒精的膨脹量可通過檢測毛細管電容器的電容變化得到。

圖3 一種靜止式液體吸收體的量熱計結構示意圖

相較于靜止式液體吸收體，流動式液體吸收體在中大功率測量中應用更為常見。圖4是一種采用流動的水作為能量吸收體的負載結構示意圖，簡稱水負載[14～19]。水負載利用水的極化損耗吸收微波功率并轉化為熱量，按工作方式水負載可分為吸收式和輻射式兩種。吸收式水負載中水流過波導內部的水室并吸收微波。水室可做成圓錐體、斜插水管或斜劈式。水室的外壁一般用玻璃、石英或玻璃鋼等微波透過性好且損耗小的介質材料做成。水室介質的材料容易破裂，因此吸收式水負載存在較大安全隱患。輻射式水負載中微波通過波導斜切面端口輻射至水室，并被水室中流動的水吸收，如圖4(b)所示。輻射式水負載采用介質片(如陶瓷片等)緊壓在斜切面法蘭上形成水室，可以較好地克服吸收式水負載的缺陷，實用性更好。測量出水負載水流入口處和流出口處的溫差，按公式(1)可得出水負載吸收微波功率轉換的熱量Pi。

Pi=cqVρΔT

(1)

式中：c——液體的比熱容，J/g·K；qV——液體的體積流量，cm3/s;ρ——液體的密度，g/cm3;ΔT——在負載液體出口和入口處所測得液體溫度差K。

圖4 水負載結構示意圖

由公式(1)可知，增大流量qV或溫差ΔT就可增大Pi的大小，因此流動式吸收體負載功率測量范圍擴展性好，比較適用于微波中大功率的測量。電子科技大學采用這種流動式水負載量熱測量微波功率的原理設計了一種寬帶微波功率計，其頻率范圍為(6.5～18)GHz，最大測量功率達到2000W[17，18]。

微波中功率干式負載量熱計一般有波導型和同軸型結構微波負載兩種。波導結構干式負載一般采用導熱性好的固體材料(如陶瓷、羥基鐵等)作為微波吸收體填充整個波導，并應用均勻漸變結構提高阻抗匹配性[20，21]。為滿足功率容量，中功率固體吸收體的體積一般較大。文獻[21]介紹了一種采用波導結構干式負載的X頻段的微波中功率量熱計，1W功率的測量不確定度約為4%(k=2)。

同軸型結構的中功率干式負載通常是在同軸線的內外導體之間放置階梯型吸收體或者凹圓錐形吸收體，如圖5所示。吸收體的材料可以選取石墨與水泥混合物或者是帶有損耗的陶瓷等，也可采用功率較大的寬帶微波柱狀電阻產品作干式負載。

圖5 同軸型結構干式負載示意圖

近年來，基于干式負載的冷卻液流量式微波中功率量熱測量方法在國外得到深入研究和應用。圖6所示是一種基于冷卻液流量式的微波中功率量熱計的測量原理示意圖。射頻微波干式負載吸收微波功率后產生熱量，冷卻液流過射頻微波干式負載導熱面并吸收負載的熱量后升溫，通過溫度和流量傳感器分別精確測量出導熱面腔體冷卻液流入口處和流出口處的溫度差ΔT及液體的流量大小qV，根據公式(1)可計算得到冷卻液吸收的熱量，從而得出被測輸入微波功率大小。在測量微波中功率前，先輸入標準直流或低頻交流功率(如工頻)進行功率測量準確度校準，可以提高這種流量式微波中功率量熱計的量值測量準確性，并保證其量值溯源性。

應用量熱法測量微波中功率需要注意采取充分的隔熱措施，減少輸入微波功率產生的熱量在其它器件上的損耗。應用流量式量熱法測量中功率時，液體溫度升高后其比熱容、密度等特性參數將發生變化，采用公式(1)計算吸收熱量時需要代入準確的c與ρ值，否則將引入測量系統誤差。

基于流量式量熱原理測量微波中功率的原理經典，技術可行。美國TEGAM、Electro Impulse Lab、Bird等公司推出了不少基于流量式的微波中功率量熱計，部分產品型號及技術性能見表1所列[22～24]。從表1知部分中功率量熱計的最大測量允許誤差達到0.5%，測量準確度優于美國NIST的基于耦合衰減法構建的中功率校準系統。因此，在微波中功率高準確度測量方面，流量式量熱法比耦合衰減法具有顯著優勢，可作為目前寬帶微波中功率測量標準的優先研究方向之一。

圖6 一種冷卻液流量式微波中功率量熱計原理示意圖

表1 幾種典型中功率量熱計產品Tab.1 Severaltypicalmedium-powercalorimeter型號測量范圍最大允差HA-100DC^3.5GHz,15W^100W±0.5%FSHA-1000DC^3.5GHz,15W^1000W±0.5%FS60916091PDC^2.5GHz,10W^200W±(1.5%^3%)131460Hz^3GHz,10W^250W±(0.3W+0.3%RDG)

4 結束語

通過詳細介紹耦合衰減法和量熱法兩種主要微波中功率測量方法的原理及國內外發展現狀,可以發現：耦合衰減法具有易構建、溯源性好、可靠性高、擴展性好的優點，但準確度有限，適用于對功率測量準確度要求不高的情況；量熱法在微波中功率高準確度測量方面具有優勢，可作為建立微波中功率計量標準的優先研究方向之一。