高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----微量熱計(jì)基本理論研究（三）

2.4.2.3有效效率偏差被忽略的原因

由式(2-40)可見，有效效率和效率的偏差由G21/G10決定，雖然不可能精確測(cè)得熱導(dǎo)值，但采用下面的方法可以近似估計(jì)G21/G10。

和量熱計(jì)一樣，熱電堆對(duì)熱敏電阻處功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)K2和熱電堆對(duì)功率座壁處功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)K1可表示為

其中，e2和e1分別是熱電堆對(duì)熱敏電阻處功率P2和功率座壁處功率P1的輸出電壓。根據(jù)式(2-45)，可實(shí)際測(cè)量得到K2和K1的值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱電堆對(duì)不同位置功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)不同，K2略大于K1。

由于熱電堆的輸出電壓正比于溫度變化，由式(2-33)和(2-41)可知，K2、K1可用G21、G10表示，即

以往的研究和實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)波導(dǎo)熱敏電阻座，K2和K1的差異在0.1%以內(nèi) ，考慮到測(cè)量誤差，可以近似估計(jì)G21/G10小于0.5%，波導(dǎo)熱敏電阻座的效率一般大于95%，當(dāng)效率為95%時(shí)，根據(jù)式(2-40)計(jì)算的有效效率與效率偏差小于0.025%，而波導(dǎo)微量熱計(jì)有效效率的測(cè)量誤差一般大于0.2%，所以一直沒有發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)偏差，波導(dǎo)微量熱計(jì)理論中沒有考慮這一偏差的影響。

同軸微量熱計(jì)是在波導(dǎo)微量熱計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同樣沒有考慮到這一偏差。對(duì)N型同軸熱敏電阻座，K2和K1的差異在1%以內(nèi) ，可以近似估計(jì)G21/G10小于2%，N型同軸熱敏電阻座的效率一般大于95%，當(dāng)效率為95%時(shí)，有效效率與效率偏差在0.1%以內(nèi)，而N型同軸微量熱計(jì)的測(cè)量誤差在0.5%左右，很難發(fā)現(xiàn)偏差。

實(shí)際上，由于一直錯(cuò)誤的認(rèn)為Psub = P2RF，即直流替代功率等于熱敏電阻吸收的高頻和微波功率，所以以往的微量熱計(jì)的有效效率計(jì)算式為

由式(2-37)和(2-47)比較可知，式(2-47)計(jì)算的并不是有效效率，它的計(jì)算結(jié)果會(huì)比有效效率小，更接近效率。由式(2-43),可以求得

用效率表示式(2-48)，得

式(2-49)代入式(2-47)，得

ηeffC與效率的差為

根據(jù)式(2-51)，效率ηs =0.9、G21/G10在2%以內(nèi)時(shí)，被修正的有效效率值ηeffC與效率的差小于0.02%.

這也是一直以來，高頻和微波功率計(jì)量研究從未涉及到這項(xiàng)偏差的原因。但隨著測(cè)量頻率的提高，效率逐漸下降，某些熱敏電阻功率座G21/G10較大，這項(xiàng)偏差逐漸顯現(xiàn)出來。

以NIST的2.4毫米接頭微量熱計(jì)中的熱敏電阻功率座為例，這是Agilent公司專為NIST設(shè)計(jì)制作的功率座，其結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。由于需要覆蓋50MHz～50GHz的頻段范圍，現(xiàn)有的熱敏電阻珠結(jié)構(gòu)不能使用，改用半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合熱電耦功率傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出具有熱敏電阻功率座特性的測(cè)輻射熱功率傳感器。

由圖2-13可見，熱敏電阻的功能由三部分組合實(shí)現(xiàn)，其中50歐姆負(fù)載實(shí)現(xiàn)熱敏電阻的吸收高頻和微波功率的功能，1kΩ測(cè)溫電阻緊靠負(fù)載，測(cè)量負(fù)載的溫度變化，直流偏置電路提供直流偏置功率給1kΩ電阻，保持1kΩ測(cè)溫電阻的阻值不變。

這一結(jié)構(gòu)盡管實(shí)現(xiàn)了熱敏電阻功率座的測(cè)輻射熱功能，但特性較差，其G 21 /G 10接近4，且有效效率范圍為(84%~94%)。

為驗(yàn)證和比較各國(guó)在2.4mm接頭型式上的功率量值，美國(guó)NIST組織進(jìn)行了2.4mm接頭型式功率國(guó)際比對(duì)。這次比對(duì)使用了兩個(gè)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)分別是3629和3815，除了英國(guó)NPL和美國(guó)NIST用各自的同軸基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，其他參加比對(duì)的實(shí)驗(yàn)室均是采用波導(dǎo)基準(zhǔn)加波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比對(duì)。圖2-14是2.4毫米接頭功率國(guó)際比對(duì)在45GHz和50GHz這兩個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以看出NIST在頻率高端的數(shù)據(jù)明顯高于采用量熱計(jì)功率基準(zhǔn)的英國(guó)NPL。

圖2-15給出了在全部比對(duì)頻率點(diǎn)上，NIST和NPL對(duì)兩個(gè)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的差值。其中第三條曲線是根據(jù)式(2-51)計(jì)算出的NIST功率基準(zhǔn)的理論偏差，可以看出，NIST對(duì)NPL的數(shù)據(jù)有系統(tǒng)偏差，且與式(2-51)計(jì)算出的理論偏差較為一致，這說明本文對(duì)有效效率所做的分析是正確的。

2.4.3 功率測(cè)量中的熱等效誤差

在微量熱計(jì)中定標(biāo)過的熱敏電阻功率座可用來進(jìn)行功率測(cè)量，圖2-16為測(cè)量示意圖，其測(cè)量示意圖與微量熱計(jì)的升溫方式相似，有效效率表達(dá)式也相同。但由于功率座直接連接到功率分配器等沒有隔熱結(jié)構(gòu)的器件，功率座壁與它們間的熱導(dǎo)G10O要遠(yuǎn)大于到微量熱計(jì)中等溫絕熱壁的熱導(dǎo)G10。由式(2-37)得