第11章 電子學(xué)計量2

第11章電子學(xué)計量本章主要內(nèi)容概述高頻電壓計量高頻功率計量衰減計量阻抗計量噪聲計量場強計量§11.1概述電子計量的頻率范圍高頻：1MHz~300MHz微波：300MHz~30GHz毫米波：30GHz~300GHz亞毫米波：300GHz~3000GHz電子計量的參量及其分類信號強度：功率、電壓、電場強度信號特性：頻率、波形參數(shù)、脈沖參數(shù)、調(diào)制參數(shù)、頻譜、噪聲、信噪比電路參量：阻抗或?qū)Ъ{、電阻或電導(dǎo)、電抗或電納、電感、電容、電阻、品質(zhì)因數(shù)網(wǎng)絡(luò)特性：網(wǎng)絡(luò)的反射參量、傳輸參量材料參量：介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、損耗角正切電磁兼容性（EMC）超低頻參數(shù)半導(dǎo)體微電子元件參數(shù)電子學(xué)計量的主要特點計量測試參數(shù)種類繁多量程大、頻帶寬傳輸線和接頭形式多種多樣影響量眾多、影響特性復(fù)雜、不確定度分析難度大計量標準投資大，運行周期短§11.2高頻電壓計量高頻電壓的表征高頻電壓是電子學(xué)計量中一個基本參量，又是電信號的主要描述參量，是模擬信號的重要表現(xiàn)形式瞬時值U(t)：交變電壓在某一瞬間的值峰值Up：交變電壓在所觀察的時間T內(nèi)達到的最大值E—電場強度l—積分路徑平均值：交變電壓在所觀察的時間T內(nèi)的平均值有效值U：交變電壓在所觀察的時間T內(nèi)的均方根值波形因數(shù)KF：交變電壓的有效值與平均值之比波峰因數(shù)KP：交變電壓的峰值與有效值之比高頻電壓標準基礎(chǔ)：以標準電池的電動勢作為原始依據(jù)，然后通過交直流替代方法建立分為3個等級小電壓：0.1V以下中電壓：0.1V~2V大電壓：2V以上高頻中電壓標準功率計法優(yōu)點：電壓標準和高頻功率標準統(tǒng)一缺點：寬頻范圍內(nèi)很難精確確定各頻率下的Zi值測輻射熱器電橋法補償式電子管電壓表法真空熱電偶法高頻信號源測輻射熱器座被校表電橋高頻小電壓標準1、校準接收機是專門用來校準高頻信號發(fā)生器的輸出電壓的裝置組成及原理圖測量不確定度來自整機的非線性誤差；進行絕對計量時還要考慮標準電壓測量的不確定度高頻衰減高頻放大第一混頻第一中放精密衰減第二混頻第二中放檢波指示校準源第一本振第二本振ux高頻小電壓標準2、高頻微伏標準微電位計：目前國際上最常用、最理想的高頻小電壓標準，可以直接校準電壓表，也可以通過電壓測量儀做過渡指示器校準高頻標準電壓源熱電偶RI屏蔽腔§11.3高頻功率計量功率的計量范圍小功率：<10mW中功率：10mW~10W大功率：＞10W原理：基于將高頻或微波能量轉(zhuǎn)換成熱、力、直流或低頻電量等能量形式組成功率座：完成感應(yīng)、吸收和能量轉(zhuǎn)換指示器：數(shù)值指示功率標準量熱式功率計將被測功率轉(zhuǎn)化為熱能來進行測量，其功率敏感元件就是量熱體（通常是微波金屬膜電阻負載）。

BA溫差熱電勢微波功率或直流功率熱電堆功率標準測熱電阻電橋功率計利用溫度敏感元件（測熱電阻）在吸收功率前后阻值發(fā)生變化來計量功率GRRRRTR0AE功率標準微量熱計將測輻射熱元件作為量熱體，用量熱計法精確確定測輻射熱元件的有效效率，從而可以獲得測量精度高、速度快和使用方便的功率標準實際上是測熱電阻式功率計和量熱計的結(jié)合微量熱計原理圖Gr0R0ERS電位差計r0r0erbrb’AB§11.4衰減計量無線電信號在傳輸過程中，由于能量的損耗和反射而減弱的程度P0、PL—無反射系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)插入前后負載耗散的功率單位：分貝，dB功率比電壓比標準衰減器衰減量可以從長度、角度或電學(xué)量計算出來，而且具有穩(wěn)定可靠的結(jié)構(gòu)和高的讀數(shù)精度波導(dǎo)截止衰減器感應(yīng)分壓器回轉(zhuǎn)式衰減器波導(dǎo)截止衰減器原理：利用了電磁波在截止狀態(tài)下的傳輸特性，即當電磁波的波長大于波導(dǎo)的截止波長時，衰減量大小正比于截至波導(dǎo)的長度，又稱活塞式衰減器

A—衰減量

K—常數(shù)

l—入射波經(jīng)過截止波導(dǎo)的長度波導(dǎo)截止衰減器激勵線圈為信號源，另一端安放可以沿軸向移動的接收線圈將衰減量轉(zhuǎn)換為長度計量，且衰減量連續(xù)可變準確度高，量程大，線性刻度，無失配誤差起始段非線性誤差大感應(yīng)分壓器亦稱電感衰減器、比率變壓器，是在音頻范圍內(nèi)準確度很高的可變衰減器電感衰減器從結(jié)構(gòu)上說實際上就是感應(yīng)線圈分壓裝置，只能用于低頻（一般為1~10kHz）,但準確度可達到10-9量級，隨著工作頻率增高，測量不確定度增加很快回轉(zhuǎn)式衰減器由一種帶有衰減片的方、圓波導(dǎo)段組合而成，衰減量通過中間圓波導(dǎo)的回轉(zhuǎn)角精確計算回轉(zhuǎn)式衰減器當中心三段圓形波導(dǎo)中的衰減片在同一平面時，電場與衰減片相重合，此時信號的衰減最?。辉趯⒅虚g的圓形波導(dǎo)回轉(zhuǎn)θ角，信號的衰減量隨之增大，該衰減的變化量A（單位為dB）,可由下式求得衰減的計量方法1、高頻替代法又稱直接替代法、同頻率替代法，是將被測衰減器的衰減量與工作在同一頻率的標準衰減器比較分為串聯(lián)替代和并聯(lián)替代優(yōu)點：設(shè)備簡單、量程大、準確度高、工作簡便缺點：只能用于頻率傳遞，局限性大高頻替代法微波信號源待測衰減器標準衰減器檢波指示器微波信號源待測衰減器標準衰減器檢波指示器衰減的計量方法2、中頻替代法原理：使用變頻的方法將高頻信號線性轉(zhuǎn)換為中頻信號，然后再用精密的中頻衰減器對被測衰減器進行替代分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方法串聯(lián)：設(shè)備簡單、操作方便、量程小、系統(tǒng)的任何部分都會導(dǎo)致很大的誤差并聯(lián)：系統(tǒng)復(fù)雜、操作難度大、量程較大、準確度較高中頻替代法衰減的計量方法3、調(diào)制副載波法原理：調(diào)制副載波法是將高頻信號線性地轉(zhuǎn)換為音頻信號，使用高準確度的音頻衰減標準替代被測的高頻衰減過程：高頻信號被耦合器分成兩路，一路平衡調(diào)制器和被衰減器后，在與另一路合成，經(jīng)包絡(luò)檢波器線性檢波成為調(diào)頻信號，最后用高準確度的電感標準衰減器進行替代，實現(xiàn)準確的衰減計量調(diào)制副載波法§11.5阻抗計量1、阻抗的定義有源定義：電壓對電流的比值無源定義：組成電路元器件的材料及其幾何形態(tài)的固有屬性，其量值根據(jù)元件的電磁特性、幾何形狀及其周圍空間的電磁特性計算出來2、阻抗的分類集總參數(shù)阻抗：在頻率較低時，電路和元件的尺寸與波長相比十分小，電路可以認為是由分離的電阻、電容、電感等集總參數(shù)元件所組成的，這些元件的阻抗以及與此有關(guān)的參量稱為集總參數(shù)參量分布參數(shù)阻抗（微波阻抗）：在高頻率時，當電路元件的尺寸接近工作波長的1/4時，所有電路元件都必須看做是均勻分布于電路各點，而不再以集中的、分立的形式存在，此時電路特性只能用分布參數(shù)的概念來描述，阻抗也表現(xiàn)為分布參數(shù)阻抗集總參數(shù)阻抗標準參考量：容抗，其量值可以通過電容器的幾何尺寸和空氣相對介電常數(shù)計算出來高頻電容標準實際上是一段精密同軸空氣介質(zhì)傳輸線。幾何形狀簡單、長期穩(wěn)定性好且殘余阻抗很小微波阻抗標準特性阻抗標準：無介質(zhì)支撐的空氣介質(zhì)標準同軸線，在波導(dǎo)系統(tǒng)中式一段精密加工并具有標準截面尺寸、法蘭定位符合標準的標準波導(dǎo)λ/4短路器：終端短路的1/4波長傳輸線。其反射系數(shù)可以根據(jù)幾何尺寸和電導(dǎo)率計算出來，并可在微波頻率上直接測定標準負載：能在給定的波導(dǎo)或同軸線中產(chǎn)生確定的反射系數(shù)，又稱反射系數(shù)標準集總參數(shù)阻抗的計量方法伏安表法電橋法諧振法（Q表法）LRC表高頻阻抗分析儀C1C2C3CSLALBRARBCACB~GTXATXBAC微波阻抗的計量方法可以直接測量的參量：駐波參量和反射參量。都為復(fù)數(shù)量，包括模值和相位角開槽線調(diào)配反射計標量網(wǎng)路分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀六端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀§11.6噪聲計量不包含任何信息的無規(guī)則變化的電信號稱為電噪聲，以區(qū)別于聲學(xué)噪聲。實際上二者可相互轉(zhuǎn)化干擾：由單個或數(shù)量不多的脈沖疊加而成的噪聲（人為噪聲），用電路理論作瞬態(tài)分析噪聲來自裝置內(nèi)部，干擾來自外部噪聲計量中的常用術(shù)語噪聲功率譜密度：表示單位帶寬內(nèi)的噪聲功率，單位為W/Hz噪聲溫度：1928年H.奈奎斯特根據(jù)熱力學(xué)第二定律推導(dǎo)出電阻器R產(chǎn)生的資用噪聲功率P＝kTB

式中k為玻耳茲曼常數(shù)；T為電阻器絕對溫度(K)；R電阻值(歐)；B為測量系統(tǒng)的帶寬（Hz）。噪聲計量中的常用術(shù)語噪聲溫度：根據(jù)電阻熱噪聲的奈奎斯特定律，認為有一有源二端網(wǎng)絡(luò)的噪聲功率譜密度為Wn，可以用一個等效電阻在溫度Te時所產(chǎn)生的噪聲功率譜密度表示或k—波爾茲曼常數(shù)當Te=290K時，稱為標準噪聲溫度噪聲計量中的常用術(shù)語超噪比(ENR)：表示某一噪聲發(fā)生器輸出噪聲功率超過其內(nèi)阻時不可避免要產(chǎn)生的噪聲功率的倍數(shù)。內(nèi)阻通常認為處在室溫（T0=290K）條件下，所以噪聲系數(shù)：表示有源多端網(wǎng)絡(luò)噪聲性能的常用參數(shù)，定義為該網(wǎng)絡(luò)使其輸出端信噪比So/No比其輸入端信噪比Si/Ni減小或變壞的倍數(shù)或標準噪聲源能在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生確定功率譜密度的噪聲信號的儀器在高頻和微波波段，如果傳輸線為理想無耗且其長度足夠長，則當它的一個終端接匹配負載時，這樣組成的系統(tǒng)可以認為是模擬物理學(xué)上的絕對黑體模型的理想噪聲源。此時，由終端負載所輻射的噪聲功率可按下式計算k—波爾茲曼常數(shù)T—終端負載的熱力學(xué)溫度B—接收系統(tǒng)的帶寬標準噪聲源標準高溫噪聲源標準低溫噪聲源標準室溫噪聲源輻射計輻射計是為了對標準噪聲源提供的噪聲溫度標準量值進行量值傳遞而采用的計量比較指示設(shè)備能測量噪聲信號的高靈敏度相關(guān)接收機，最初由R.H.Dicke用于觀察星體的微波射電輻射輻射計檢定、校準傳遞方法：當比較通道介入標準源時，調(diào)節(jié)參考通道的平衡衰減器，使接收機的指示為零；然后介入被校準的噪聲源，并在參考通道不變的情況下，調(diào)節(jié)比較通道的精密可變衰減器，使接收機指示恢復(fù)為零。此時被計量的噪聲溫度Tn可用下式計算TS—標準噪聲源的噪聲溫度ΔA（dB）—精密可變衰減器兩次讀數(shù)的差值§11.7場強計量場強：高頻場強以電場強度E（V/m），磁場強度H（A/m）和功率通量密度S（W/m2）等量表示近區(qū)場：r<<λ/6遠區(qū)場：r>>λ/6強場：E>10V、H>1A/m、S>100μW/cm2弱場：E<1V、H<1mA/m、S<1μW/cm2場強標準標準場法：利用已知場強檢定場強計或其接收天線。標準場由形狀比較簡單的發(fā)射天線在空間規(guī)定點建立，并由發(fā)射天線的尺寸、形狀、天線上的電流分布、從發(fā)射天線到規(guī)定點的距離以及地面指數(shù)等因素計算確定標準天線法：由感應(yīng)在標準接收天線上的電壓、標準天線的尺寸、形狀及其對場矢量的方位，來計算標準天線所在點的場強，進而檢定場強計或其接收天線遠區(qū)場標準磁場強度標準，30MHz以下S1—發(fā)射環(huán)天線截面積d—收發(fā)環(huán)田間之間的距離（m）r1、r2—發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線的半徑（m）λ—自由空間波長遠區(qū)