第11章 电子学计量2

第11章电子学计量本章主要内容概述高频电压计量高频功率计量衰减计量阻抗计量噪声计量场强计量§11.1概述电子计量的频率范围高频：1MHz~300MHz微波：300MHz~30GHz毫米波：30GHz~300GHz亚毫米波：300GHz~3000GHz电子计量的参量及其分类信号强度：功率、电压、电场强度信号特性：频率、波形参数、脉冲参数、调制参数、频谱、噪声、信噪比电路参量：阻抗或导纳、电阻或电导、电抗或电纳、电感、电容、电阻、品质因数网络特性：网络的反射参量、传输参量材料参量：介电常数、磁导率、损耗角正切电磁兼容性（EMC）超低频参数半导体微电子元件参数电子学计量的主要特点计量测试参数种类繁多量程大、频带宽传输线和接头形式多种多样影响量众多、影响特性复杂、不确定度分析难度大计量标准投资大，运行周期短§11.2高频电压计量高频电压的表征高频电压是电子学计量中一个基本参量，又是电信号的主要描述参量，是模拟信号的重要表现形式瞬时值U(t)：交变电压在某一瞬间的值峰值Up：交变电压在所观察的时间T内达到的最大值E—电场强度l—积分路径平均值：交变电压在所观察的时间T内的平均值有效值U：交变电压在所观察的时间T内的均方根值波形因数KF：交变电压的有效值与平均值之比波峰因数KP：交变电压的峰值与有效值之比高频电压标准基础：以标准电池的电动势作为原始依据，然后通过交直流替代方法建立分为3个等级小电压：0.1V以下中电压：0.1V~2V大电压：2V以上高频中电压标准功率计法优点：电压标准和高频功率标准统一缺点：宽频范围内很难精确确定各频率下的Zi值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信号源测辐射热器座被校表电桥高频小电压标准1、校准接收机是专门用来校准高频信号发生器的输出电压的装置组成及原理图测量不确定度来自整机的非线性误差；进行绝对计量时还要考虑标准电压测量的不确定度高频衰减高频放大第一混频第一中放精密衰减第二混频第二中放检波指示校准源第一本振第二本振ux高频小电压标准2、高频微伏标准微电位计：目前国际上最常用、最理想的高频小电压标准，可以直接校准电压表，也可以通过电压测量仪做过渡指示器校准高频标准电压源热电偶RI屏蔽腔§11.3高频功率计量功率的计量范围小功率：<10mW中功率：10mW~10W大功率：＞10W原理：基于将高频或微波能量转换成热、力、直流或低频电量等能量形式组成功率座：完成感应、吸收和能量转换指示器：数值指示功率标准量热式功率计将被测功率转化为热能来进行测量，其功率敏感元件就是量热体（通常是微波金属膜电阻负载）。

BA温差热电势微波功率或直流功率热电堆功率标准测热电阻电桥功率计利用温度敏感元件（测热电阻）在吸收功率前后阻值发生变化来计量功率GRRRRTR0AE功率标准微量热计将测辐射热元件作为量热体，用量热计法精确确定测辐射热元件的有效效率，从而可以获得测量精度高、速度快和使用方便的功率标准实际上是测热电阻式功率计和量热计的结合微量热计原理图Gr0R0ERS电位差计r0r0erbrb’AB§11.4衰减计量无线电信号在传输过程中，由于能量的损耗和反射而减弱的程度P0、PL—无反射系统中网络插入前后负载耗散的功率单位：分贝，dB功率比电压比标准衰减器衰减量可以从长度、角度或电学量计算出来，而且具有稳定可靠的结构和高的读数精度波导截止衰减器感应分压器回转式衰减器波导截止衰减器原理：利用了电磁波在截止状态下的传输特性，即当电磁波的波长大于波导的截止波长时，衰减量大小正比于截至波导的长度，又称活塞式衰减器

A—衰减量

K—常数

l—入射波经过截止波导的长度波导截止衰减器激励线圈为信号源，另一端安放可以沿轴向移动的接收线圈将衰减量转换为长度计量，且衰减量连续可变准确度高，量程大，线性刻度，无失配误差起始段非线性误差大感应分压器亦称电感衰减器、比率变压器，是在音频范围内准确度很高的可变衰减器电感衰减器从结构上说实际上就是感应线圈分压装置，只能用于低频（一般为1~10kHz）,但准确度可达到10-9量级，随着工作频率增高，测量不确定度增加很快回转式衰减器由一种带有衰减片的方、圆波导段组合而成，衰减量通过中间圆波导的回转角精确计算回转式衰减器当中心三段圆形波导中的衰减片在同一平面时，电场与衰减片相重合，此时信号的衰减最小；在将中间的圆形波导回转θ角，信号的衰减量随之增大，该衰减的变化量A（单位为dB）,可由下式求得衰减的计量方法1、高频替代法又称直接替代法、同频率替代法，是将被测衰减器的衰减量与工作在同一频率的标准衰减器比较分为串联替代和并联替代优点：设备简单、量程大、准确度高、工作简便缺点：只能用于频率传递，局限性大高频替代法微波信号源待测衰减器标准衰减器检波指示器微波信号源待测衰减器标准衰减器检波指示器衰减的计量方法2、中频替代法原理：使用变频的方法将高频信号线性转换为中频信号，然后再用精密的中频衰减器对被测衰减器进行替代分为串联和并联两种方法串联：设备简单、操作方便、量程小、系统的任何部分都会导致很大的误差并联：系统复杂、操作难度大、量程较大、准确度较高中频替代法衰减的计量方法3、调制副载波法原理：调制副载波法是将高频信号线性地转换为音频信号，使用高准确度的音频衰减标准替代被测的高频衰减过程：高频信号被耦合器分成两路，一路平衡调制器和被衰减器后，在与另一路合成，经包络检波器线性检波成为调频信号，最后用高准确度的电感标准衰减器进行替代，实现准确的衰减计量调制副载波法§11.5阻抗计量1、阻抗的定义有源定义：电压对电流的比值无源定义：组成电路元器件的材料及其几何形态的固有属性，其量值根据元件的电磁特性、几何形状及其周围空间的电磁特性计算出来2、阻抗的分类集总参数阻抗：在频率较低时，电路和元件的尺寸与波长相比十分小，电路可以认为是由分离的电阻、电容、电感等集总参数元件所组成的，这些元件的阻抗以及与此有关的参量称为集总参数参量分布参数阻抗（微波阻抗）：在高频率时，当电路元件的尺寸接近工作波长的1/4时，所有电路元件都必须看做是均匀分布于电路各点，而不再以集中的、分立的形式存在，此时电路特性只能用分布参数的概念来描述，阻抗也表现为分布参数阻抗集总参数阻抗标准参考量：容抗，其量值可以通过电容器的几何尺寸和空气相对介电常数计算出来高频电容标准实际上是一段精密同轴空气介质传输线。几何形状简单、长期稳定性好且残余阻抗很小微波阻抗标准特性阻抗标准：无介质支撑的空气介质标准同轴线，在波导系统中式一段精密加工并具有标准截面尺寸、法兰定位符合标准的标准波导λ/4短路器：终端短路的1/4波长传输线。其反射系数可以根据几何尺寸和电导率计算出来，并可在微波频率上直接测定标准负载：能在给定的波导或同轴线中产生确定的反射系数，又称反射系数标准集总参数阻抗的计量方法伏安表法电桥法谐振法（Q表法）LRC表高频阻抗分析仪C1C2C3CSLALBRARBCACB~GTXATXBAC微波阻抗的计量方法可以直接测量的参量：驻波参量和反射参量。都为复数量，包括模值和相位角开槽线调配反射计标量网路分析仪矢量网络分析仪二端口矢量网络分析仪四端口矢量网络分析仪六端口矢量网络分析仪§11.6噪声计量不包含任何信息的无规则变化的电信号称为电噪声，以区别于声学噪声。实际上二者可相互转化干扰：由单个或数量不多的脉冲叠加而成的噪声（人为噪声），用电路理论作瞬态分析噪声来自装置内部，干扰来自外部噪声计量中的常用术语噪声功率谱密度：表示单位带宽内的噪声功率，单位为W/Hz噪声温度：1928年H.奈奎斯特根据热力学第二定律推导出电阻器R产生的资用噪声功率P＝kTB

式中k为玻耳兹曼常数；T为电阻器绝对温度(K)；R电阻值(欧)；B为测量系统的带宽（Hz）。噪声计量中的常用术语噪声温度：根据电阻热噪声的奈奎斯特定律，认为有一有源二端网络的噪声功率谱密度为Wn，可以用一个等效电阻在温度Te时所产生的噪声功率谱密度表示或k—波尔兹曼常数当Te=290K时，称为标准噪声温度噪声计量中的常用术语超噪比(ENR)：表示某一噪声发生器输出噪声功率超过其内阻时不可避免要产生的噪声功率的倍数。内阻通常认为处在室温（T0=290K）条件下，所以噪声系数：表示有源多端网络噪声性能的常用参数，定义为该网络使其输出端信噪比So/No比其输入端信噪比Si/Ni减小或变坏的倍数或标准噪声源能在一定频率范围内产生确定功率谱密度的噪声信号的仪器在高频和微波波段，如果传输线为理想无耗且其长度足够长，则当它的一个终端接匹配负载时，这样组成的系统可以认为是模拟物理学上的绝对黑体模型的理想噪声源。此时，由终端负载所辐射的噪声功率可按下式计算k—波尔兹曼常数T—终端负载的热力学温度B—接收系统的带宽标准噪声源标准高温噪声源标准低温噪声源标准室温噪声源辐射计辐射计是为了对标准噪声源提供的噪声温度标准量值进行量值传递而采用的计量比较指示设备能测量噪声信号的高灵敏度相关接收机，最初由R.H.Dicke用于观察星体的微波射电辐射辐射计检定、校准传递方法：当比较通道介入标准源时，调节参考通道的平衡衰减器，使接收机的指示为零；然后介入被校准的噪声源，并在参考通道不变的情况下，调节比较通道的精密可变衰减器，使接收机指示恢复为零。此时被计量的噪声温度Tn可用下式计算TS—标准噪声源的噪声温度ΔA（dB）—精密可变衰减器两次读数的差值§11.7场强计量场强：高频场强以电场强度E（V/m），磁场强度H（A/m）和功率通量密度S（W/m2）等量表示近区场：r<<λ/6远区场：r>>λ/6强场：E>10V、H>1A/m、S>100μW/cm2弱场：E<1V、H<1mA/m、S<1μW/cm2场强标准标准场法：利用已知场强检定场强计或其接收天线。标准场由形状比较简单的发射天线在空间规定点建立，并由发射天线的尺寸、形状、天线上的电流分布、从发射天线到规定点的距离以及地面指数等因素计算确定标准天线法：由感应在标准接收天线上的电压、标准天线的尺寸、形状及其对场矢量的方位，来计算标准天线所在点的场强，进而检定场强计或其接收天线远区场标准磁场强度标准，30MHz以下S1—发射环天线截面积d—收发环田间之间的距离（m）r1、r2—发射环天线和接收环天线的半径（m）λ—自由空间波长远区