高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----微量熱計基本理論研究（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，雖然不可能精確測得熱導(dǎo)值，但采用下面的方法可以近似估計G21/G10。

和量熱計一樣，熱電堆對熱敏電阻處功率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系數(shù)K2和熱電堆對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)，可實際測量得到K2和K1的值，實驗結(jié)果表明熱電堆對不同位置功率的穩(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

以往的研究和實驗表明，對波導(dǎo)熱敏電阻座，K2和K1的差異在0.1%以內(nèi) ，考慮到測量誤差，可以近似估計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，根據(jù)式(2-40)計算的有效效率與效率偏差小于0.025%，而波導(dǎo)微量熱計有效效率的測量誤差一般大于0.2%，所以一直沒有發(fā)現(xiàn)這項偏差，波導(dǎo)微量熱計理論中沒有考慮這一偏差的影響。

同軸微量熱計是在波導(dǎo)微量熱計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同樣沒有考慮到這一偏差。對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，有效效率與效率偏差在0.1%以內(nèi)，而N型同軸微量熱計的測量誤差在0.5%左右，很難發(fā)現(xiàn)偏差。

實際上，由于一直錯誤的認(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的有效效率計算式為

由式(2-37)和(2-47)比較可知，式(2-47)計算的并不是有效效率，它的計算結(jié)果會比有效效率小，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，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，高頻和微波功率計量研究從未涉及到這項偏差的原因。但隨著測量頻率的提高，效率逐漸下降，某些熱敏電阻功率座G21/G10較大，這項偏差逐漸顯現(xiàn)出來。

以NIST的2.4毫米接頭微量熱計中的熱敏電阻功率座為例，這是Agilent公司專為NIST設(shè)計制作的功率座，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)計出具有熱敏電阻功率座特性的測輻射熱功率傳感器。

由圖2-13可見，熱敏電阻的功能由三部分組合實現(xiàn)，其中50歐姆負(fù)載實現(xiàn)熱敏電阻的吸收高頻和微波功率的功能，1kΩ測溫電阻緊靠負(fù)載，測量負(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測溫電阻的阻值不變。

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

為驗證和比較各國在2.4mm接頭型式上的功率量值，美國NIST組織進(jìn)行了2.4mm接頭型式功率國際比對。這次比對使用了兩個比對標(biāo)準(zhǔn)，代號分別是3629和3815，除了英國NPL和美國NIST用各自的同軸基準(zhǔn)進(jìn)行比對，其他參加比對的實驗室均是采用波導(dǎo)基準(zhǔn)加波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比對。圖2-14是2.4毫米接頭功率國際比對在45GHz和50GHz這兩個頻率點的數(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功率基準(zhǔn)的英國NPL。

圖2-15給出了在全部比對頻率點上，NIST和NPL對兩個比對標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果的差值。其中第三條曲線是根據(jù)式(2-51)計算出的NIST功率基準(zhǔn)的理論偏差，可以看出，NIST對NPL的數(shù)據(jù)有系統(tǒng)偏差，且與式(2-51)計算出的理論偏差較為一致，這說明本文對有效效率所做的分析是正確的。

2.4.3 功率測量中的熱等效誤差

在微量熱計中定標(biāo)過的熱敏電阻功率座可用來進(jìn)行功率測量，圖2-16為測量示意圖，其測量示意圖與微量熱計的升溫方式相似，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)大于到微量熱計中等溫絕熱壁的熱導(dǎo)G10。由式(2-37)得