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电子科技大学:《计量方法与误差理论》课程教学资源(课件讲稿)第三章 各种物理量的测试计量 第3节 电子计量测试

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2021/9/24 ⊙ 第三章 各种物理量的测试计量 第3节电子计量测试 3.1概述 第1节时间频率计量测试 无线电计量、高频计量、射频和微波计量,是电磁计量在频率上 第2节电磁学计量测试 的延伸(电子计量现今国际通行的频率爱盖范国为10h~30G)。 第3节电子计量测试 第4节温度计量测试 第5节光学计量测试 第6节其他计量测试 几何、力学、声学、电离福射、物质的量) 电子样就大是自特化工恒学被 @ 第3节电子计量测试 第3节 电子计量测试 无线电计量测试,在十大计量专业中,属于参数(参量)最多的 >特点 专业之一,其基本和比较重要的参数多达20多个。 频率范围宽 产频率范困:几十干赫以上(高频、射频、微波) 量程广 一参数及分类 波形多 信号能量:电压、电流、功率、电磁场强度等 传输系统复杂 信号特性:频率、波长、相位等 分布参数影响 电路特性:电容、电感、电阻等 量值传递链较短:一般都只有三级,少数参量只有两级,即工作计 材料电磁特性:介质常数、介质损耗、导磁率等 量器具和国家计量标准 网络特性:反射系数、电压驻波比、增益等 易于实现计量的自动化 测试工作量大于检定工作量 中华人民共和国依法管理的计量器具 信号强度计量:功率、电压、电场强度 瓷籍武香品热学计园器具3功序计量器奥4电结学计程器飘 电子计量主要内 信号特性计量:波形参数、球冲参数、调制垫数、噪声、频谱等 电路参量计量:阻抗、电感、电容、品质因数等 网馅特性计量:同络反射参量(反射系数、驻波比等)和传轴参 量(衰减相移、鲜挺时等) 材料特性计量:介电常数、导率、损耗角正切等 电磁兼容性计量:E测试 可频率计量器具7声学计量器具8光学计量涨具9.电离福时计量婆具10.物理 国家基准成标准主要是研制上述基本参量和部分二次导出参量的国家基 化学计量器具11标准物质 准或标准:电子计量科学的最终目的是解决电子测量基准成标准的建立、量 值传递和统一问题. 贤路 值魂源,以保证全国电子计量单位的统一及量值的准确可叠, 电寻得机大举自特化王程学使 电于码枝大年自始化名红举他 1

2021/9/24 1 第三章 各种物理量的测试计量 第1节 时间频率计量测试 第2节 电磁学计量测试 第3节 电子计量测试 第4节 温度计量测试 第5节 光学计量测试 第6节 其他计量测试 (几何、力学、声学、电离辐射、物质的量) 第3节 电子计量测试 无线电计量、高频计量、射频和微波计量,是电磁计量在频率上 的延伸(电子计量现今国际通行的频率覆盖范围为10kHz~3000GHz)。 3. 1 概述 第3节 电子计量测试 无线电计量测试,在十大计量专业中,属于参数(参量)最多的 专业之一,其基本和比较重要的参数多达20多个。 频率范围:几十千赫以上(高频、射频、微波) 参数及分类 信号能量:电压、电流、功率、电磁场强度等 信号特性:频率、波长、相位等 电路特性:电容、电感、电阻等 材料电磁特性:介质常数、介质损耗、 导磁率等 网络特性:反射系数、电压驻波比、增益等 …… 第3节 电子计量测试 特点 频率范围宽 量程广 波形多 传输系统复杂 分布参数影响 量值传递链较短:一般都只有三级,少数参量只有两级,即工作计 量器具和国家计量标准 易于实现计量的自动化 测试工作量大于检定工作量 电 子 计 量 主 要 内 容 信号强度计量:功率、电压、电场强度 信号特性计量:波形参数、脉冲参数、调制参数、噪声、频谱等 电路参量计量:阻抗、电感、电容、品质因数等 网络特性计量:网络反射参量(反射系数、驻波比等)和传输参 量(衰减、相移、群延时等) 材料特性计量:介电常数、磁导率、损耗角正切等 电磁兼容性计量:EMC测试 国家基准或标准主要是研制上述基本参量和部分二次导出参量的国家基 准或标准;电子计量科学的最终目的是解决电子测量基准或标准的建立、量 值传递和统一问题。 1.长度计量器具 2.热学计量器具 3.力学计量器具 4.电磁学计量器具 5.无线电计量器具 高频电压标准、同轴热电转换器、微电位计、高频电压表、高频毫伏表、高频微伏表、低频电压标准源、 低频电压表、高频电流表、校准接收机、标准信号发生器、调幅度仪、频偏仪、调制度仪、失真度仪检定装置、 失真度仪、低失真信号发生器、音频分析仪、脉冲发生器、时标发生器、标准脉冲幅度发生器、脉冲电压表、 高频阻抗分析仪、高频标准电阻、高频标准电感、高频标准电容、Q表、高频Q值标准线圈、高频介质标准样 片、高频电容损耗标准、高频零示电桥、谐振式阻抗仪、矢量阻抗表、矢量阻抗分析仪、高频电容损耗仪、高 频介质损耗仪、高频微波功卒座、高频微波功率计、高频微波功率指示器、高频微波功率计校准装置、衰减器 校准装置、衰减器、相位标准、相位计、移相器、相位发生器、微波阻抗标准装置、微波阻抗标准负载、测量 线、反射计、阻抗图示仪、网络分析仪、高频微波噪声发生器、高频微波噪声测量仪、标准场强发生器、高频 近区标准场装置、微波标准天线、高频场强计、微波漏能仪、测量接收机、干扰测量仪、脉冲响应校准器、晶 体管图示仪、晶体管图示仪校准装置、晶体管参数测试仪、电子管参数测试仪、频谱分析仪、波形分析仪、电 视综合测试仪,电视参数测试仪、示波器、示波器校准仪、抖晃仪、心电图仪检定装置、脑电图仪检定装置、 心脑电图仪、半导体材料工艺参数测量标准、半导体材料工艺参数测量仪、集成电路参数测量标准、集成电路 参数测量仪。 6.时间频率计量器具 7.声学计量器具 8.光学计量器具 9.电离辐射计量器具 10.物理 化学计量器具 11.标准物质 中华人民共和国依法管理的计量器具 中国计量科学研究院无线电处负责建立、保存、和改进电子计量国家基准 或标准,研究精密测量理论与技术,进行国际比对,开展量值传递与提供量 值溯源,以保证全国电子计量单位的统一及量值的准确可靠

2021/9/24 @ 3.2高频电压计量 @ 3.2高频电压计量 1、高颜电压的表征(I00k) 2、高频电压标准 瞬时值 峰值 4,= 产生瑟换剂 热电转换元件和转换方式 平均值T-w 有效值-o函 小电压(1V-0.1V) 中电压(0.1-2V) 大电压(2V以上) 波形因数和波峰因数表示出以上3个量值的关系,从而使3个量值之 问能够相互转换。不同种类的波形式藏港因数和被峰因撒是不同的。 电子料航大量自陆化工恒学院 电干科税文季自幼花机准陆 @ 高频电压计量 ⊙ 高频电压计量 >高频中电压标准0.1-2V) ■功率计法(适合做国家计量标准) 英国、加摩大建立国家标准的方法 功率计法、 测辐射热器电桥法 U=PR 热电转换器 一功率针 补偿式电子管电压表法、 真空热电偶法 U:同轴热电转换器输出端面(功率计输入端面)电压 P:功率计计量所得到的高频功率值 R:功率计输入阻抗 优点:借助于功率标准,较好的准确度 缺点:必须知道各种频率下精确的输入阻抗 高频电压计量 高频电压计量 ■测辐射热器电桥法(适合做国家计量标准) (2)直流平衡电桥: 美、俄、日和我国建立国家标准的方法 高频和直流功率替代的平衡装置,判断交直流 引起的阻值变化是否相等。 (1)测辐射热器电桥:测热电阻(高频电压计量敏感元件) 原理:根据热变电阻(测辐射热器)在通过直流电流或射 频电流时,如果两者所加的功率相同,则产生的热效应也相 同。如果用一电桥线路监视热变电阻,则可以通过直流量替 代射频量的方法计算出射频电压。 剥想射热器电桥法 电寻得机大举自特化王程季使 电手科做大季自地化三租举枕 2

2021/9/24 2 3.2 高频电压计量 1、高频电压的表征(100kHz) 瞬时值 峰值 平均值 有效值 波形因数(有效值/平均值) 波峰因数(峰值/有效值) U maxU(t) t T p     T U t dt T U 0 ( ) 1   T U t dt T U 0 2 ( ) 1 波形因数和波峰因数表示出以上3个量值的关系,从而使3个量值之 间能够相互转换。不同种类的波形其波形因数和波峰因数是不同的。 3.2 高频电压计量 2、高频电压标准 基本原理:利用它们和直流电压在热电转换元件上 产生相同热效应以实现直流替代。不同频段采用不同的 热电转换元件和转换方式。 小电压(1uV -0.1V) 中电压(0.1-2V) 大电压(2V以上) 高频电压计量  高频中电压标准(0.1-2V) 功率计法、 测辐射热器电桥法、 补偿式电子管电压表法、 真空热电偶法 高频电压计量 U  PR U:同轴热电转换器输出端面(功率计输入端面)电压 P:功率计计量所得到的高频功率值 R:功率计输入阻抗 优点:借助于功率标准,较好的准确度 缺点:必须知道各种频率下精确的输入阻抗 功率计法(适合做国家计量标准) 英国、加拿大建立国家标准的方法 热电转换器 功率计 U 高频电压计量 测辐射热器电桥法(适合做国家计量标准) 美、俄、日和我国建立国家标准的方法 (1)测辐射热器电桥:测热电阻(高频电压计量敏感元件) 测辐射热器电桥法 高频电压计量 (2)直流平衡电桥: 高频和直流功率替代的平衡装置,判断交直流 引起的阻值变化是否相等。 原理:根据热变电阻(测辐射热器)在通过直流电流或射 频电流时,如果两者所加的功率相同,则产生的热效应也相 同。如果用一电桥线路监视热变电阻,则可以通过直流量替 代射频量的方法计算出射频电压

2021/9/24 高频电压计量 高频电压计量 C/2Cw/2 n 直流潜代法 9019 低频潜代法 ⊙ CwaNCs/2 =·E朵k,√u四 若a=1,R。=R,期 0,=U U4=√U4-0g 测细射热方法:频率范田宽、准确度高、性能稳定、结构简单、加工 方使,是现代高须电压计量的技术基础. 电子样就大是自特化工恒学被 电干科税文季自幼花机准陆 @ 高频电压计量 ⊙ 高频电压计量 在所有的高频电压标准装置中,中电压标准的精度最高。 ■补偿式电子管电压表法和真空热电偶法 世界各国的高频电压国家标准都是中电压标准,中电压标准 主要用于标准计量器具(传递标准和工作标准), 的水平反映了高频电压的计量水平。 补偿式电子管电压表法 D 有了中电压标推,小电压标准利用标准精密衰减器将中 电压标准降低至毫伏与微伏量级而得到小电压标准 @ 高频电压计量 高频电压计量 >高频小电压标准 ■校准接收机 使用标准精密衰减器将中电压标准降低至毫伏与微伏 校准高频信号发生器(1001z~301Hz的高频、3知一3o0MH的 甚高频店号发生器)的小电压输出和高频衰减器 量级得到小电压标准。用于确定接收机的灵敏度和本机噪 声等指标。 射频振病器+测热操射器电桥 作为工作标准的主要有校准接收机和高频微伏标准两种 形式 母图甲固圆母固图 和 信号源 油放 按准凄收机 电于特枝大争年好化工框学线 电于韩枝大学自始化名祖举他 3

2021/9/24 3 高频电压计量 直流替代法 高频电压计量 测辐射热方法:频率范围宽、准确度高、性能稳定、结构简单、加工 方便,是现代高频电压计量的技术基础。 低频替代法 U U rf af  高频电压计量 有了中电压标推,小电压标准利用标准精密衰减器将中 电压标准降低至毫伏与微伏量级而得到小电压标准。 在所有的高频电压标准装置中,中电压标准的精度最高。 世界各国的高频电压国家标准都是中电压标准,中电压标准 的水平反映了高频电压的计量水平。 高频电压计量 主要用于标准计量器具(传递标准和工作标准)。 补偿式电子管电压表法  补偿式电子管电压表法和真空热电偶法 高频电压计量  高频小电压标准 使用标准精密衰减器将中电压标准降低至毫伏与微伏 量级得到小电压标准。用于确定接收机的灵敏度和本机噪 声等指标。 作为工作标准的主要有校准接收机和高频微伏标准两种 形式。 高频电压计量  校准接收机 校准高频信号发生器(100kHz~30MHz的高频、30~300MHz的 甚高频信号发生器)的小电压输出和高频衰减器 射频振荡器+测热辐射器电桥 信号源 滤波器 校准接收机

2021/9/24 高颜电压计量 高颜电压计量 由于电克脑礼遇的满电元作相质形电国R在著分 ■高频微伏标准 白参意,该批两金电位在直工时电压与在 电流小电阻方式,提供精确的高频小电压,可直接校准 电压表。适合做成工作标准和比对用的传递标准 才望当电压标富使限 射顺·直旋地宜义角 国试接一个如电,读电压大小由电和过这个 00 电圈的电汽值的采契所决定。通过故变电流大会或着为里位 文本一发电性针直富时始出息压雀, 的大小,原看叶议实电可相电可口扩积留出电1 一登电计的热电势与工作相的刻 《山上一餐电压章 信包位计的射钢一直我整轻上一徽悠压标常酸素铜是 已短时,或微电位计作为标查的彩频响丽,为 - 电领元非,电且这甲餐瓷的西盘形电品,月它们中联在一包日 丈中4 一已知防射发 一需要整出岭射辆电区 U—热电劳与可:工作村写的直找装出电压 电子样就大是自特化工恒学被 色于林很人学自始化玉祖章吃 @ 高频电压计量 高频电压计量 3.高颜电压的检定 a、电压基本误差检定 基本误差检定频率通常选择1kHz,电压按量程选择, 计量标准湖 被检校准源 例如,0.1V量程的0.1V点:1V量程的0.2X.0.4y、Q.6V, 0.8V、1V,也可按用户要求选择。误差计算如下: 标准源给出不同频率范围内各量程的准确度指标, 8-,-x100% 检定亦应在相应的频率和量程上进行。将各检定结果进 U。 行误差(不确定度)合成,求出不同频率范围内的准确 心,:基本误差 定指标。 U,:被检校准源输出电压 U。:标准源示值 思考:误差类型?不确定度? 高频电压计量 高频电压计量 b、颜率附加误差检定 指8 从以上检定过程可以看出,这是“固定标准读被检”的 如:用微电位计在mW 频率附加误差检定方法,其频率附加误差按下式计算: 量程上进行检定 U-Uh×100% 方法: U 首先将开关K置于人,通古参与说的率至定的参考频率(如1).到节出电压 ♂。:毫伏量程的频率附加误差 巨微电位计的输出(由直流指示指上指示)为被检伏量程历选 置于,被检源频到与餐考原率相同,河节输出电用的大小.使电 U%:不同频率点时各毫伏量程上标准源示值 ,记下 改变参考源的顿率到一个新的枪定点上,调节输出叫压使磁纯包 U,:参考频率点时各毫伏量程上被检源输出示值 翼率附如误差的检定同样应分别在各个餐状量程上麦行,各个量程迹举一点即可。例 电压表仍指示同一敏值记录该款本时被能省出。 如,1mV点,0V点。00mV点等.颜率点的速择仍以各个领段上选取3~4点为宜。采 如此重复上述步骤。袭得出各检定领率点上被检源的输出不值.直到全蜂作完为止。 用和饮特量程样的方法,可得出被检交流整在各个不问期及及量程上的老伏输出市 生的准确度, (各频率点误差合成) 4

2021/9/24 4 高频电压计量  高频微伏标准 电流小电阻方式,提供精确的高频小电压,可直接校准 电压表。适合做成工作标准和比对用的传递标准 高频电压计量 高频电压计量 3. 高频电压的检定 标准源给出不同频率范围内各量程的准确度指标, 检定亦应在相应的频率和量程上进行。将各检定结果进 行误差(不确定度)合成,求出不同频率范围内的准确 定指标。 计量标准源 被检校准源 高频电压计量 a、电压基本误差检定 基本误差检定频率通常选择1kHz,电压按量程选择, 例如,0.1V量程的0.1V点;1V量程的0.2V、0.4V、0.6V、 0.8V、1V,也可按用户要求选择。误差计算如下: 100% 0 0    U Ux U v  U0 Ux v  :基本误差 :被检校准源输出电压 :标准源示值 思考:误差类型?不确定度? 高频电压计量 b、频率附加误差检定 如:用微电位计在mV 量程上进行检定 方法: 高频电压计量 从以上检定过程可以看出,这是“固定标准读被检”的 频率附加误差检定方法,其频率附加误差按下式计算: 100% 0 0    f f f f U U U x mv  x mv f f f U U 0  :毫伏量程的频率附加误差 :参考频率点时各毫伏量程上被检源输出示值 :不同频率点时各毫伏量程上标准源示值 (各频率点误差合成)

2021/9/24 @ 高频电压计量 高频电压计量 C、精出德定度检定 d、电压不确定度的合成 输出电压稳定度的高低是衡量计量仪器性能的重要指标,只有高稳定度 将基本误差、频率附加误差、稳定度进行不确定度合成得到 才能为高准确定提供保端 仪器的电压参数的不确定度。 品 ©、其它指标的检定和不确定度合成 除检定上述项目外,还应检定频率误差,、波形失真等指标, 这些检定项目的检定方法同电压检定相类似, .--Ux100%6 U。 U。:预调电压的实测值 以上项目需按照检定规程完成 U,:规定时问内输出电压最大值 标准电压表 被撞找准澜 U。:规定时间内轴出电压最小值 电手科风天季自始花三机准陆 ⊙ 高频电压计量 高频电压计量 4、其它高颜电压计量方法 4、其它高颜电压计量方法 测力 补偿法 利用与电流或电磁场相关的一些物理现象,根据测力 将高频电压通过检波转换成直流电压,并与已知的直流补 原理实现电压计量。 偿电压相比较, 从而得出相应的高频电压。 >检被法 与检波法略有区别。 ·检波后用直流电压表进行测量 >DVM 检波-放大式、放大检波式 ·峰值检波、均值检波、有效值检波 模拟电路部分 数字电路部分 显示电路部 输入电路AWD变换器 计数电蹈 显示电野 控制逻辑电 高频电压计量 低频 补管计量法: 补偿式电压表是测量或检定信号发生器的输出电压或电子 电压表测量误差的主要标准仪器。补偿式电压表由高频检波 探头、直流补偿电路和检流计等部分组成: 测量交流电压时,调节补偿电路的直流电压使通过检波二极管的平均 电流不变,或调节检波二极管阴极电阻使阴极偏压固定不变,从而用直流 可 电压或电阻确定相应的被测交流电压, 溯源性 检定规程 电于特枝大争年好化工框学线 送念图 5

2021/9/24 5 高频电压计量 c、输出稳定度检定 输出电压稳定度的高低是衡量计量仪器性能的重要指标,只有高稳定度 才能为高准确定提供保障 输出电压稳定度的检定可采用高分辨力标准源在规定时间(国产仪 器短期稳定度的规定时间为15min)观察各选定频率点上输出电压的相 对变化。 如测量15min短期稳定度,可取1min作为一个间隔,每分钟测量一 次,记下校准源输出电压示值,则被检校准源短期稳定度Su计算如下: 100% 0 max min    U U U su min max 0 U U U :预调电压的实测值 :规定时间内输出电压最大值 :规定时间内输出电压最小值 标准电压表 被检校准源 高频电压计量 d、电压不确定度的合成 将基本误差、频率附加误差、稳定度进行不确定度合成得到 仪器的电压参数的不确定度。 e、其它指标的检定和不确定度合成 除检定上述项目外,还应检定频率误差、波形失真等指标, 这些检定项目的检定方法同电压检定相类似。 以上项目需按照检定规程完成 高频电压计量 4、其它高频电压计量方法  测力法 利用与电流或电磁场相关的一些物理现象,根据测力 原理实现电压计量。  检波法 • 检波后用直流电压表进行测量 • 检波-放大式、放大-检波式 • 峰值检波、均值检波、有效值检波 U(t) C U(t) VD C R (a) (b) 高频电压计量 4、其它高频电压计量方法  补偿法 • 将高频电压通过检波转换成直流电压,并与已知的直流补 偿电压相比较,从而得出相应的高频电压。 • 与检波法略有区别。  DVM 输入电路 A/D变换器 模拟电路部分 计数电路 数字电路部分 控制逻辑电路 显示电路 显示电路部分 高频电压计量 补偿计量法: 补偿式电压表是测量或检定信号发生器的输出电压或电子 电压表测量误差的主要标准仪器。补偿式电压表由高频检波 探头、直流补偿电路和检流计等部分组成。 测量交流电压时,调节补偿电路的直流电压使通过检波二极管的平均 电流不变,或调节检波二极管阴极电阻使阴极偏压固定不变,从而用直流 电压或电阻确定相应的被测交流电压。 低频 高频 电压 量值 传递 关系 溯源性 检定规程

2021/9/24 @ 3.3功率计量 @ 在直流和低频场合。 用电压和电流的概念便可方便表征传 1双负载量热式功率计(中小功率的国家计量标准) 输能量的大小,但在高频和微波频段,由于工作波长可以 和被测装置尺寸相,因此电流和电压缺乏一性定义 用电压来表示信号是没有实际意艾的。而功率参量可以 接表征高频和微波能量的传输特性,并可以用各种不同的 量热体内有吸收微 方法进行测最, 波功率的全匹配 在波导传输的微波系统中,不能计量电压 (无反射)负载 小功率中功率(10mV一10W防 大功率 》鞋生:离频过微波能量化性、力.直流成低频电量等能 的毫誉,中暴离攀可以直接检测 热电堆+量热体人、B)热电势 热效应功率计.力效应功率计、霍尔效应功率计等 量热体Λ交替加直流和微波功率,产生相同的热电势 电子样就大量自特化工恒学院 @ 功率计量 ⊙ 功率计量 2.测热电阻电桥功率计 自动平衡测辐射热暴电桥 功率敏感元件:测热电阻RT(接) 是桥树比,电桥的失衡电压用作 传输线内吸收微波功率) 同服反债放大器的输入。放大器A的输 第1次不加高频功率调平衡:11 出电压用于激励测射热器电桥.当 第2次加高顿功率再调平衡:12 放大器的端益足够高时,电桥将接近于 理想的平衡状态 月--3 对温度敏感,W或mW功率测量 该电桥虽能进行功率测量,但是由于两次平衡都是手动 操作,因此费时费力。 @ 功率计量 3.微量热计 功率传递标准 量热式准确度高,但测量时间长,对环境条件要求高 测热电阻式功率计响应快、长期稳定性好 建立微波功率的目的,是为了保证功率量愤的准确和一数。因此 结合二者优点)微量热计 要把最高功率标准的量值传递到各级计量部门使用的功率计上,这是 微波功率=测热电阻消耗功率+最热体A吸收功率 计量工作的一个重要任务, “功率传递标准“是功率量值传递的重要工具。其准确度高于用 于实验室的“参考功率标准”的准确度。“功率传递标准”具有良好 的计量性能和长期隐定性,并能承受频繁的重复测量和长途运输, 测量10mW以下的功率,具有0.5%的精度,频率范因可达6G比左右 电手得机大单自特化王程学使 电手科其大季自幼花玉租举枕 6

2021/9/24 6 3.3 功率计量 在直流和低频场合,用电压和电流的概念便可方便表征传 输能量的大小,但在高频和微波频段,由于工作波长可以 和被测装置尺寸相比,因此电流和电压缺乏唯一性定义, 用电压来表示信号是没有实际意义的。而功率参量可以直 接表征高频和微波能量的传输特性,并可以用各种不同的 方法进行测量。 • 在波导传输的微波系统中,不能计量电压 • 小功率、中功率(10mV—10W)、大功率 • 功率计量原理:高频或微波能量转化成热、力、直流或低频电量等能 量形式。 • 功率探头(功率传感器,把高频电信号通过能量转换为可以直接检测 的电信号) + 功率指示器(信号放大、变换和显示器) • 热效应功率计、力效应功率计、霍尔效应功率计等 1.双负载量热式功率计(中小功率的国家计量标准) 热电堆 + 量热体A、B  热电势 量热体A交替加直流和微波功率,产生相同的热电势 目前能获得最高准确度的方法之一,建立中、小 功率的国家计量标准(我国波导测热标准即是采用该 方式的功率计) 量热体内有吸收微 波功率的全匹配 (无反射)负载 功率计量 2.测热电阻电桥功率计 功率敏感元件:测热电阻RT(接入 传输线内吸收微波功率) 第1次不加高频功率调平衡:I1 第2次加高频功率再调平衡:I2 ( ) 4 2 2 2 1 I I R Prf   对温度敏感,uW或mW功率测量 该电桥虽能进行功率测量,但是由于两次平衡都是手动 操作,因此费时费力。 功率计量 自动平衡测辐射热器电桥 a是桥臂比,电桥的失衡电压e1用作 伺服反馈放大器的输入。放大器A的输 出电压E0用于激励测辐射热器电桥。当 放大器的增益足够高时,电桥将接近于 理想的平衡状态。 功率计量 3.微量热计 量热式准确度高,但测量时间长,对环境条件要求高 测热电阻式功率计响应快、长期稳定性好 结合二者优点  微量热计 微波功率 = 测热电阻消耗功率 + 量热体A吸收功率 测量10mW以下的功率,具有0.5%的精度,频率范围可达6GHz左右 功率传递标准 建立微波功率的目的,是为了保证功率量值的准确和一致。因此, 要把最高功率标准的量值传递到各级计量部门使用的功率计上,这是 计量工作的一个重要任务。 “功率传递标准”是功率量值传递的重要工具。其准确度高于用 于实验室的“参考功率标准”的准确度。“功率传递标准”具有良好 的计量性能和长期稳定性,并能承受频繁的重复测量和长途运输

2021/9/24 @ 功率计量 功率计量 Ke=K P 1 功率传递标准 校准过程(确定校准因子) P 1-TGIs 它一个稳定性的热电水找在个商方向作的 功率指示器 这种合装置经银功率标校。确定其校子人之五 稳幅 功率 大器 就可以厅领地用来校准各利功省,妇果它与 指宗器 到具有反聚数合号的作用,从大 功率座 《是定向解合节《或功分》旁上动卡准 代功率八 功率座 人到接在方 锡合器(功分器)主端出无反射负上的被 只之北其表达文为不,:骨 定向耦合器 (功分器) 信号源 定向@合是 衰减器 或功分器 K 电子样航大量自特化工恒学被 电手韩税文季自始花机准他 @ 3.4衰减计量 @ 1、服念: 2、标准表减香分类: 表征高颖和微波器件传输特性的参量包括衰减量。效率、电压传输 ,电阻试衰减器(电阻式) 系数、损耗等.变减计量是无线电计量的基本参数之一,它表征了无 线电信号的幅度在传输过程中减弱的程度,是各种传输线、电子元器 1型电阻式衰减器、π型电阻式衰减器、平衡式电阻衰减器、薄 件、电子设备及系统的传输特性 膜电阳式衰藏器、步进式电阻豪混器 A=105P,/P.3 衰减是指在理想匹配的系统 ,波导截止式衰减器(截止式) (s=0,=0 中插入披测件传输同馅时,被 测件的入射功率与出射功率之比 >感应分压式衰减器(电感式) 常用对数表示,单位B ,回转式衰减器(回转式) 传的城修输入杀的天针功打 一转给网络翰出纳的出射功丰 >波导吸收式衰减器(吸收式) 赛减器 了一—位号复喻位外网子: 厂—角我南反状何子。 ,PN电调衰减器(电调式) 耦合度、方向性、插入损耗、衰减量、增益、变频损耗等都属于 衰减的测量范防。 3、衰减计量方法: >射须普代法(高颗普代法) ,射频(高频)替代法 将被测哀减量在同频率上的标准衰减器的衰减量进行比 较的方法。可分为串联射频替代法和并联射频替代法两种。 串联射频替代法、井联射频替代法 。中频替代法 y原性轻n年器片海电地学香 一低频替代法 >功率比法 同制恒华 疏 ~扫频法 串联射频替代法 测量时,信号检测指示器始终指在同一位置,被测度威的增量用标在衰减器 >信号幅度倍增法 变她量的城小来替代。在该方案中,可采用不问的信号险测指示器。如:接这机 一时间间隔比法 颗特分析仪。鞋被敢大器,功率计等。根摆指乐器的婴求快定信号源是否需要方 皱两制 国家计量检定规程218影中采用此方法来检定最大允许误差为±心,1邢 10B的波导吸收式哀减署,使用的标准衰减器为回转式在减琴。 电于特枝大争年好化工框学线■ 电于科其文举自幼化三租举枕 7

2021/9/24 7 功率计量 功率传递标准 功率指示器 功率座 定向耦合器 (功分器) 功率计量 校准过程(确定校准因子) 信号源 稳幅 放大器 电源 衰减器 功率 指示器 功率座 定向耦合器 或功分器 标准 功率座 标准功率 指示器 传 递 标 准 Pbc Pbs Ks Kc  s  G bs G S bc c s P P K K       1 1 3.4 衰减计量 表征高频和微波器件传输特性的参量包括衰减量、效率、电压传输 系数、损耗等。衰减计量是无线电计量的基本参数之一,它表征了无 线电信号的幅度在传输过程中减弱的程度,是各种传输线、电子元器 件、电子设备及系统的传输特性。 衰减是指在理想匹配的系统 中插入被测件(传输网络)时,被 测件的入射功率与出射功率之比, 常用对数表示,单位dB。 衰减器 耦合度、方向性、插入损耗、衰减量、增益、变频损耗等都属于 衰减的测量范畴。 1、概念:  电阻式衰减器(电阻式) T型电阻式衰减器、π型电阻式衰减器、平衡式电阻衰减器、 薄 膜电阻式衰减器、步进式电阻衰减器  波导截止式衰减器(截止式)  感应分压式衰减器(电感式)  回转式衰减器(回转式)  波导吸收式衰减器(吸收式)  PIN电调衰减器(电调式) 2、标准衰减器分类:  射频(高频)替代法 串联射频替代法、并联射频替代法  中频替代法  低频替代法  功率比法  扫频法  信号幅度倍增法  时间间隔比法 3、衰减计量方法:  射频替代法(高频替代法) 将被测衰减量在同频率上的标准衰减器的衰减量进行比 较的方法。可分为串联射频替代法和并联射频替代法两种。 串联射频替代法

2021/9/24 由于被测衰减器与标准 衰减器并联,只要每 两种方法优缺点: 调到指示不变,则被测 衰减增量可由标准衰减 优点:量程大,可达130~140dB。 器增量代替。 缺点:必须具有与被测件同频率的标准衰减器。 并联频替代法 射频替代法没有现成的校准装置,必须自己组建校 中国计量院的30MH五 准系统 战止式减器国家标 准。量值传递量程 100B.在100B不确 0-,80dB不 电手科风天季自始花三机准陆 @ @ >中颜替代法 将微波频率与本振混频后降到中频,用中频衰减器替代 并联中频替代法纸 串联中频替代法 s速 7开楼ea 宾型的中潮替代法果用30化煮止式查减翠为巾颜标座袭诚荐,用电子开美对两路中 可以大 故大,补酸式我减签的起始衰。工作出定中颗上的标准立 颜信号反相调制(或在射糊对信号原及本长反相调刚》。当两路位号艇度相等对,相位校技 白标4食硬器输出的信号经中域验泼后指示在米一似定电平。酸 器输出为罗。为使中放输出恒定,采用自动增数控侧(AG汇)电脐。为了使中顿信号规书程 定在中技的中心额率上。采用白动颜率控制(℃)电路。 米美口规拧代法电品比较贺单,仪器体积妆小。轻汪。层干委#到现场瑞及。如彩鬼冬 这种并联中特代达长以来是衰碱和校准最)广泛应用的方法。它的出优点是 忠由于特号很省出超度不的改校大活塔楚引人物美雷不喻空皮。址程上以受混泉益及暂 率宽(10M18C,程大(>0),连度高(大允许黑差达0.2B0那)。 线的津线作限制,下辰受喉声限制。一靓圈铺范围为)B左右,仪谷怕最人免许送农一轻 在:0.020重〉-.0s露0B〉楚州。 @ @ >低频普代法 >功率比法 将微波频率降到低频范围进行测量 变减是以功率比定义的,一种慢基本的方法。 短一精语动妹计 时要网长:别居解离容手方状的发添】比石 单功率计法 射银信号源叠技高精,其嘴部信号遇证被湖村后,用平方律招皱器检减。编高尽能阳 被测件未插入时子P被测件插入后→P2 标浓食减海和低观声教大器。整流后在电表上签示,超量时,有先裤被男夜城等西到客位, 囊减:A-10gP1P2 网标准短城容到电表指在一个合适的院数,精品两载测和减器其的定刻度,重调际准我减器 优点:简单、方便、易实现 缺点:易受信号源概度不稳定的影响。同时对功率计准确度委求较高。 要保证功率计非线性误差0.02dB。则测量范图只有15一20B 这养彩统豹调最点用使个。在纸鸡平时受岭被荐和收大起的噪声服解,在纸电平时受检 位器图离平方律特牡的队制,一银只有苔用左行,在0.1盛时断量不确定度可达 电手科枝火季自幼化三租举他 8

2021/9/24 8 并联射频替代法 由于被测衰减器与标准 衰减器并联,只要每次 调到指示不变,则被测 衰减增量可由标准衰减 器增量代替。 中国计量院的30MHz 截止式衰减器国家标 准。量值传递量程 100dB,在100dB不确 定度2×10-4,80dB不 确定度1×10-4。 两种方法优缺点: 优点:量程大,可达130~140dB。 缺点:必须具有与被测件同频率的标准衰减器。 射频替代法没有现成的校准装置,必须自己组建校 准系统  中频替代法 将微波频率与本振混频后降到中频,用中频衰减器替代 串联中频替代法 并联中频替代法  低频替代法 将微波频率降到低频范围进行测量  功率比法 衰减是以功率比定义的,一种最基本的方法。 被测件未插入时P1 被测件插入后P2 衰减:A=10lg(P1/P2) 信号源 隔离器 被测件 隔离器 功率计 单功率计法 优点:简单、方便、易实现 缺点:易受信号源幅度不稳定的影响,同时对功率计准确度要求较高, 要保证功率计非线性误差0.02dB,则测量范围只有15~20dB

2021/9/24 © @ >扫频法 可连续展示被测件在宽频带上的变减频率特性,快速直观,是一种 重要的测量方法, 摔计州 *计2 度分五,度度零 双通道功率计法 被测件未插入时)功率计输入功率即,披测件插入后子功率计罐入功率P 前后两次调节感应分压器)平衡指示 可采用离频甘代、低领甘代等。通过扫频观燕衰减随预率的变化 若两次分压比D、D,则A-1eP,P,-D,D) 稳幅电超:减小信号源猪出功率的变化 小了信号源幅度不稳定的影响,分辨率高,适合小减测量 直流对数放大器:保证可直接在示波器上现额衰减 缺点:不确定度比点频大,测量范图较小(2一30B)】 电子样就大量自特化工恒学院 色手解植大学自始化声祖年吃 @ @ >齿号帽麦倍增法 >时间间隔比法 国内还未见应用 6汤 度抑 微波信号八调制器)功率计 、调制器:调制信号为脉冲宽度不变。脉冲频率可变的冲信号 脉神频率越高,微波信号加到功率座上的时间越长,功率也越大 纪下此可按测我减器的不量,敲考哀减容物示的风在为44:A一 )复上进生露,司在6,06N胡拾各点修准可受豪减签N为志进数 则一1P,P-1分双通道方式减小信号添不稳定性 优点:不来要标准装减器:缺痛:不能校准任意具,步进602心d迅 优煮:准确度高:缺点:功率座非线性,量程不大,30d内误差±001dBW10dB ⊙ 3.5阻抗计量 >特性阻抗 >阻抗的有源和无源定义 将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗 ·有源定义:电压对电流的此值.适合实际计量. 将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗 如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗,就称之为传输线的特性阳抗 >集总参数和分布参数阻抗 定义:在分布参数电路中,传输线上入射波电压与入射波电流之 比,成反射波电压与反谢波电流之比的负值 领率低,电路元件尺寸与波长相比很小.元件相抗、Q值、介电常数、 介质损耗角正切等委量称为集总泰数阳抗态显。 领率高,电路元件尺寸接近波长的1/4时.所有元件必须看成均匀分布 >反射系数 于电指各点用分布泰数的照色描谜 定义:传输线上任一点的反射系敬定义为该点反射波电压与入射 波电压之比. 电于特枝大争年好化工学被 9

2021/9/24 9 双通道功率计法 信号源 隔离器 被测件 直流零值检测器 定向耦合器 定向耦合器 负载 功率计1 功率计2 感应分压器 被测件未插入时功率计2输入功率P1 被测件插入后功率计2输入功率P2 前后两次调节感应分压器平衡指示 若两次分压比D1、D2,则A=10lg(P1 /P2 )=10lg(D1 /D2 ) 减小了信号源幅度不稳定的影响,分辨率高,适合小衰减测量  扫频法 可连续展示被测件在宽频带上的衰减频率特性,快速直观,是一种 重要的测量方法。 可采用高频替代、低频替代等,通过扫频观察衰减随频率的变化 缺点:不确定度比点频大,测量范围较小(20~30dB)。 稳幅电路:减小信号源输出功率的变化 直流对数放大器:保证可直接在示波器上观察衰减  信号幅度倍增法 优点:不需要标准衰减器;缺点:不能校准任意衰减量,步进6.0206dB  时间间隔比法 国内还未见应用 PIN调制器:调制信号为脉冲宽度不变、脉冲频率可变的脉冲信号 微波信号PIN调制器功率计 脉冲频率越高,微波信号加到功率座上的时间越长,功率也越大 则A=10lg(P1 /P2 )=10lg(f1 /f2 ) 双通道方式减小信号源不稳定性 优点:准确度高;缺点:功率座非线性,量程不大,30dB内误差±0.001dB/10dB 3.5 阻抗计量 阻抗的有源和无源定义 • 有源定义:电压对电流的比值。适合实际计量。 • 无源定义:根据元件的电磁特性、几何形状及周围电磁特性计量出来。 适用于建立计量标准。 集总参数和分布参数阻抗 • 频率低,电路元件尺寸与波长相比很小。元件阻抗、Q值、介电常数、 介质损耗角正切等参量称为集总参数阻抗参量。 • 频率高,电路元件尺寸接近波长的1/4时,所有元件必须看成均匀分布 于电路各点,用分布参数的概念描述  特性阻抗 定义:在分布参数电路中,传输线上入射波电压与入射波电流之 比,或反射波电压与反射波电流之比的负值 0 i r i r V V Z I I    将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗 将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗 如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗,就称之为传输线的特性阻抗  反射系数 定义:传输线上任一点的反射系数定义为该点反射波电压与入射 波电压之比。 r i V V  

2021/9/24 @ 集总参数阻抗标准和计量 @ >一集总参数阻抗标准 ,集总参数阻抗计量 一容抗作为参考量,由容器几何尺寸和空气介电常数计草, 一遥过直接比较和校准技术,可把量值传递到集总参数阻抗的各种工 伏安法、电桥法、诺振法,矢量阻抗法 作标准器上, -伏安法:适合低频与音频,精度低 量G,-C-时+Cd 电桥法:适合音频、高频进至超高频,精度高, 式巾C,。 wa及 诺振法:利用被测阻抗与已知元件组成谐振回路的谐振特性,适 c," 合高频和超高频(精度不高。始构滴单, m景合 -计量仪器:Q表(诺振法)、LRC表.高频阻抗分析仪等 式中【一苦富电容答长度, 。—活察帮入的深E, D,D,、D。,D,一-电容器不到第位的数径 电于科机大平看桥花王程平院 色于林税天学自始化声祖年吃 @ 微波阻抗标准和计量 ⊙ >微波阳抗标准 特性阻抗标准:同轴系统中无介 质支擦的刚性空气介质标准同轴 微波频段的测量中,不是直接测量阻抗,而是反射系数或驻波 线(一段标准空气线,由填充空 比,微波阻抗标准器实质为反射系数或驻波标准器。 气介质的一段同轴传输线构成) 反射系数和驻波比是无量纲的量,只有对于给定的特性阻抗, 2:=plejln(Dld) 才能代表某一特定的阻抗值. 式中::一介置的介电常数,单位为Fm 主要指同轴线和标准波导 一介质的异,单位为W 分别是同线外导体内径与内导体外径,单位为m 设,风,为空气介历的相耐介电常数与磁导率,·一是真空中的介电常数与壁守 率。「为光.则有 E=0,o,9=H,e 品 /4短路器(反射系数款标 >微波阻抗计量 准器):短路板和1/4波长传 同 ,开情线、反射计(测反射系数)、标量网培分析仪(反射系数和态数幅 值),矢量网分析仪(S数幅值和相位)。 输线构成。由于其反射系数 式中: 可根据几何尺寸和电导率计 算并直接测定,在微波阻抗 场,计算反射系数 计量中常作为阻抗标准(一 总得率,单位为 和电压驻波世等特 级标准们), 电学率,单为 子 任数 烟本。单位为品, 标准负截(反射系数标准器):在给定的同轴或波导中产生确定的 反射系敬。无反射标准负能、失配标准负截、大反射标准负战。作为传 递或工作标准。 电寻得机大举自陆化王程季使 电于群做人单自始化玉租举他 10

2021/9/24 10 集总参数阻抗标准 –容抗作为参考量,由容器几何尺寸和空气介电常数计算。 –通过直接比较和校准技术,可把量值传递到集总参数阻抗的各种工 作标准器上。 D1 D2 D3 D4 空气介质活塞式电容器(同轴空气介质传输线) 圆筒电极 容量: 集总参数阻抗标准和计量 集总参数阻抗计量 伏安法、电桥法、谐振法、矢量阻抗法。 –伏安法:适合低频与音频,精度低。 –电桥法:适合音频、高频甚至超高频,精度高。 –谐振法:利用被测阻抗与已知元件组成谐振回路的谐振特性,适 合高频和超高频(精度不高,结构简单)。 –计量仪器:Q表(谐振法)、LRC表、高频阻抗分析仪等 微波阻抗标准 微波阻抗标准和计量 微波频段的测量中,不是直接测量阻抗,而是反射系数或驻波 比,微波阻抗标准器实质为反射系数或驻波标准器。 反射系数和驻波比是无量纲的量,只有对于给定的特性阻抗, 才能代表某一特定的阻抗值。 主要指同轴线和标准波导。 特性阻抗标准:同轴系统中无介 质支撑的刚性空气介质标准同轴 线(一段标准空气线,由填充空 气介质的一段同轴传输线构成) λ/4短路器(反射系数标 准器):短路板和1/4波长传 输线构成。由于其反射系数 可根据几何尺寸和电导率计 算并直接测定,在微波阻抗 计量中常作为阻抗标准(一 级标准)。 标准负载(反射系数标准器) :在给定的同轴或波导中产生确定的 反射系数。无反射标准负载、失配标准负载、大反射标准负载。作为传 递或工作标准。 微波阻抗计量 开槽线、反射计(测反射系数)、标量网络分析仪(反射系数和S参数幅 值)、矢量网络分析仪(S参数幅值和相位)。 原理:探针在波导 槽内滑动,测量电 场,计算反射系数 和电压驻波比等特 性参数 1 1 L L S      G bG 3 a b3 A2 B2 a2 b2

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