高頻和微波功率基準及其應用研究----微量熱計基本理論研究（三）

穩(wěn)態(tài)表達式為

從式(2-52)可知，在高頻和微波功率剛輸入到功率座時，其有效效率等于效率，隨著時間的增加，有效效率逐漸增大，最終達到的穩(wěn)態(tài)值是式(2-53)。

本文將測量功率時由熱敏電阻功率座換熱條件引起的有效效率變化帶來的功率測量誤差稱為功率測量的熱等效誤差。

功率測量中有兩種情況的熱等效誤差：

1)微量熱計定標后的熱敏電阻功率座直接用于功率測量。根據(jù)功率測量公式，熱敏電阻功率座入射功率PIN計算式為

其中，ηI為微量熱計定標的有效效率，ΓL是功率座的反射系數(shù)，Psub是PIN在熱敏電阻上的直流替代功率。而實際上輸入功率PIN應為

其中ηO為實際測量時的有效效率，用式(2-52)表示。

根據(jù)以上分析可知，這種情況下功率測量的熱等效誤差表達式為

相對熱等效誤差表達式為

根據(jù)熱敏電阻功率座校準因子的定義，式(2-57)可寫作

其中Ko為實際測量時的校準因子，KI為微量熱計定標得到的校準因子。式(2-58)說明，功率測量的相對熱等效誤差即為校準因子的相對偏差。

對采用等溫方式定標的功率座，其ηI為ηS，則式(2-58)可表示為

穩(wěn)態(tài)表達式為

對采用升溫方式定標的功率座，若其有效效率ηI已按式(2-50)修正，由于ηI近似等于效率，可認為其熱等效誤差的情況與等溫方式相同。

若未修正，ηI表示式為(2-39)，則式(2-57)可表示為

穩(wěn)態(tài)表達式為

2)微量熱計定標后的熱敏電阻功率座用于量值傳遞。在第4章中將對功率量值傳遞進行詳細的研究，在這里只就最簡單的功率量值傳遞方法-交替比較法進行闡述，因為交替比較法是其他方法的基礎，所以這里的結(jié)論對其他量值傳遞方法也同樣適用。

圖2-17是交替比較法的原理框圖，因為熱敏電阻功率座一般用于量值傳遞，已經(jīng)很少用于功率測量，所以這里只考慮標準座是熱敏電阻功率座而被較功率座是非熱敏電阻功率座的情況。根據(jù)交替比較法的原理，可得

其中Ks和Ku分別是標準座和被校座的校準因子，Pbs和Pbu分別是標準座和被校座的功率指示器示數(shù)。

在Ks應為Ko而實際使用KI計算Ku時，根據(jù)式(2-63)可以推導得到Ku的相對偏差為

其中KuO和KuI分別為根據(jù)KO和KI計算的Ku值。由式(2-64)可見，在使用熱敏電阻功率座進行量值傳遞時，功率測量的熱等效誤差也被傳遞了。

2.4.4熱等效誤差的減小

根據(jù)以上的分析可見，無論微量熱計采用哪種定標方式都會帶來熱等效誤差，誤差的大小除了與熱敏電阻功率座內(nèi)外的熱導有關，與其效率有關外，還與測量時間有關，所以無法對這項誤差進行補償，只能在微量熱計定標和功率兩個環(huán)節(jié)采取措施，使在微量熱計中的有效效率定標值和功率測量中的有效效率盡可能接近效率，以減小熱等效誤差對功率測量的影響。

通過對微量熱計中有效效率的分析可知，對升溫方式的微量熱計來說，為了減小有效效率和效率的偏差，應根據(jù)式(2-50)對有效效率測量結(jié)果進行修正。如上一節(jié)所述，ηeffC與效率的差為

盡管對有效效率的修正能有效的減小其與效率的偏差，但當G21/G10較大時，修正的作用有限。例如當效率ηs =0.9，G21/G10 =1時，修正后的偏差約為0.5%.圖2-18給出了不同條件下，升溫方式修正后的有效效率與效率偏差曲線。

從圖2-18可以看出，應對用于升溫方式微量熱計的熱敏電阻功率座特性有嚴格的要求，效率不應低于85%，G21/G10不應大于0.1，否則的話，相對于等溫方式和量熱計方式功率基準的偏差過大，不利于世界功率量值的統(tǒng)一。這也是NIST在國際比對后急于重新設計和加工其熱敏電阻功率座的原因。

對于采用等溫方式的微量熱計來說，定標得到的有效效率值就是效率，無須改進和修正。加拿大的波導功率基準和第3章將介紹的我國寬帶同軸功率基準均采用等溫方式，國際比對結(jié)果證明了等溫方式得到的有效效率和修正后的升溫方式得到的有效效率的一致性。