王林林 于 麒 韓曉明 宋萬(wàn)博 楊 洋

（61236部隊(duì)，北京 100094）

1 引 言

隨著信號(hào)頻率的提升，信號(hào)在電路中傳輸?shù)哪Ｐ碗S之改變，低頻普遍適用的用電流、電壓作為表征信號(hào)特性的參數(shù)不再適用于微波領(lǐng)域，因?yàn)槲⒉ㄐ盘?hào)在傳輸路線上的電流、電壓參數(shù)隨位置的改變而改變。功率是高頻和微波領(lǐng)域的基本參數(shù)之一，它表征了高頻和微波信源的傳輸特性［1］。微波功率的單位常用線性單位mW和對(duì)數(shù)單位dBm。

2 標(biāo)準(zhǔn)功率座的校準(zhǔn)方法

功率計(jì)的種類很多。按照用途分類可以分為小功率計(jì)、中功率計(jì)、大功率計(jì)和脈沖功率計(jì)；根據(jù)接口形式可以分為同軸功率計(jì)和波導(dǎo)功率計(jì)；根據(jù)測(cè)量原理可以分為熱敏電阻功率計(jì)、熱電偶功率計(jì)、半導(dǎo)體薄膜熱電偶式和晶體二極管式功率計(jì)［2］。

為保證各種功率計(jì)的量值準(zhǔn)確一致，需要建立功率標(biāo)準(zhǔn)將功率標(biāo)準(zhǔn)量值準(zhǔn)確地傳遞到各級(jí)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)上［3］。由于理論研究較為成熟，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室采用量熱計(jì)法和微量熱計(jì)法建立微波功率標(biāo)準(zhǔn)。各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)功率傳遞實(shí)驗(yàn)室大多采用交替比較法、傳遞標(biāo)準(zhǔn)法和六端口法等［4］。

計(jì)量確認(rèn)是為保證測(cè)量設(shè)備處于能滿足預(yù)期要求的狀態(tài)所需的一組操作［5］。標(biāo)準(zhǔn)功率座經(jīng)上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)完成回到實(shí)驗(yàn)室后，實(shí)驗(yàn)室職能負(fù)責(zé)人應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)功率座及其證書進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)，確保滿足本級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)量值傳遞要求［6］。

3 標(biāo)準(zhǔn)功率座的證書信息

標(biāo)準(zhǔn)功率座向上級(jí)溯源時(shí)，上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)一般出具校準(zhǔn)證書。包括：外觀檢查、校準(zhǔn)因子和駐波比。

頻率為被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)功率座的測(cè)試頻率點(diǎn)；校準(zhǔn)值為上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)傳遞的校準(zhǔn)因子；U為k=2的測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

在標(biāo)準(zhǔn)功率座的使用過(guò)程中，需要將校準(zhǔn)因子值錄入對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)上，進(jìn)而才能讓功率計(jì)在測(cè)量過(guò)程中調(diào)取對(duì)應(yīng)的最新的校準(zhǔn)因子，標(biāo)準(zhǔn)功率座量值傳遞分散性取決于U，屬于按“等”使用的儀器。

每年溯源給定校準(zhǔn)因子值，可以修正傳感器漂移帶來(lái)的誤差，同時(shí)給標(biāo)準(zhǔn)功率座的計(jì)量確認(rèn)帶來(lái)一定的困難。

例如：在f頻點(diǎn)，出廠時(shí)校準(zhǔn)因子為Kc0，當(dāng)測(cè)量功率為P的被測(cè)信號(hào)時(shí)，功率傳感器檢出功率Pbc0，功率計(jì)顯示功率讀數(shù)Pbs0：

由于使用期間發(fā)生某一事件，使其校準(zhǔn)因子發(fā)生較大改變，由Kc0改變?yōu)镵ct，并且保持穩(wěn)定：同樣在f頻點(diǎn)，再次溯源時(shí)校準(zhǔn)因子為Kct，當(dāng)它同樣測(cè)量P功率信號(hào)時(shí)，功率傳感器檢出功率Pbct，功率計(jì)顯示功率讀數(shù)Pbst：

可見(jiàn)，只要溯源時(shí)得到的校準(zhǔn)因子準(zhǔn)確，即使它發(fā)生了較大的變化，仍然能測(cè)得準(zhǔn)確的功率值。為了進(jìn)一步研究標(biāo)準(zhǔn)功率座的計(jì)量確認(rèn)方法，我們引入測(cè)量兼容性的概念。

4 測(cè)量結(jié)果的計(jì)量兼容性

計(jì)量兼容性（metrological compatibility）：給定被測(cè)量的一組測(cè)量結(jié)果的特性，該特性為任何一對(duì)兩個(gè)不同的測(cè)量結(jié)果的測(cè)量值之差的絕對(duì)值小于該差值的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度的某個(gè)選定倍數(shù)［7］。

對(duì)于“兩個(gè)不同的測(cè)量結(jié)果”，我們選取最近兩次溯源時(shí)上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)給定的校準(zhǔn)因子校準(zhǔn)值；對(duì)于“該差值的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度”，我們采用上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)功率座時(shí)相應(yīng)的測(cè)量不確定度；下面介紹如何確定“某個(gè)選定倍數(shù)”。

期間重復(fù)性測(cè)試可以得到測(cè)量結(jié)果的分散性參數(shù)，用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表征［8］，在實(shí)際工作中用標(biāo)準(zhǔn)不確定度u替代，通常測(cè)量結(jié)果的置信概率p取0．95，置信因子k=2，測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=ku=2u，即：u=0．5U；同理，利用測(cè)量兼容性描述不同時(shí)段進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果一致程度，用實(shí)驗(yàn)的測(cè)量平均值來(lái)表征。

在標(biāo)準(zhǔn)功率座的證書信息中提到測(cè)量結(jié)果由校準(zhǔn)值和測(cè)量不確定度組成，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)功率座的量值傳遞工作中，測(cè)量結(jié)果在分布區(qū)間的中心出現(xiàn)的概率最大，落在分布區(qū)間邊緣的概率比較小，測(cè)量結(jié)果近似服從正態(tài)分布，其概率分布如圖1所示。

圖1 測(cè)量結(jié)果的概率分布Fig.1 Probability distribution of measurement results

對(duì)于同一參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果的概率分布相同?！皟蓚€(gè)不同的測(cè)量結(jié)果”的分布應(yīng)該是分布區(qū)間寬度相同，分布區(qū)間中心發(fā)生平移，如圖2所示。

對(duì)兩次測(cè)量進(jìn)行概率的疊加，得出兩次測(cè)量結(jié)果均包含在兩次分布曲線之下的概率分布，如圖3所示。

圖2 兩次測(cè)量結(jié)果的概率分布Fig.2 Probability distribution of two measurements

圖3 兩次測(cè)量結(jié)果的概率分布Fig.3 Probability distribution of two measurements

通過(guò)計(jì)算，得出兩次測(cè)量相差n個(gè)u（“某個(gè)選定倍數(shù)”）時(shí)的測(cè)量一致性，分布數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，分布柱狀圖如圖4所示。

表1 正態(tài)分布下測(cè)量兼容性概率分布Tab.1 Measuring the probability distribution of compatibility under normal distribution

圖4 正態(tài)分布下測(cè)量兼容性概率分布Fig.4 Measuring the probability distribution of compatibility under normal distribution

5 計(jì)量確認(rèn)方法

利用兩次校準(zhǔn)結(jié)果的差值與測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算測(cè)量結(jié)果的計(jì)量兼容性，進(jìn)而完成測(cè)量結(jié)果的計(jì)量確認(rèn)工作。

當(dāng)兩次測(cè)量結(jié)果計(jì)量兼容性大于2倍的u時(shí)，兩次結(jié)果的概率分布函數(shù)在P=95%的概率下時(shí)，小概率的“裙邊”并不產(chǎn)生交集，兩次測(cè)量之間就會(huì)有測(cè)量值落在圖中灰色地帶。既不在上一次的測(cè)量結(jié)果之內(nèi)，又不在本次測(cè)量區(qū)間的覆蓋范圍之內(nèi)，造成了測(cè)量結(jié)果的失控，屬于不合格范圍，如圖5所示。

圖5 計(jì)量兼容性大于2uFig.5 Measurement compatibility greater than 2u

當(dāng)兩次測(cè)量結(jié)果的計(jì)量兼容性大于1倍的u，小于2倍的u時(shí)，兩次結(jié)果的概率分布函數(shù)在P=95%的概率下時(shí)，小概率的“裙邊”有一部分相疊交，按照本文的定義，兩次測(cè)量最高只有約30%的概率同時(shí)包含在兩次測(cè)量的范圍內(nèi)。屬于危險(xiǎn)范圍，如圖6所示。

圖6 計(jì)量兼容性大于u小于2uFig.6 Measurementcompatibilitygreaterthanuless than2u

當(dāng)兩次測(cè)量結(jié)果計(jì)量兼容性小于1倍的u時(shí)，兩次結(jié)果的概率分布函數(shù)在P=95%的概率下時(shí)，概率分布的“裙邊”有一部分相疊交，按照本文的定義，兩次測(cè)量最高有80%的概率同時(shí)包含在兩次測(cè)量的范圍內(nèi)，屬于良好范圍，如圖7所示。

圖7 計(jì)量兼容性小于uFig.7 Measurement compatibility is less than u

6 結(jié)束語(yǔ)

微波功率量值傳遞對(duì)我們?nèi)粘９ぷ魇种匾Ｃ磕晗蛏纤菰吹玫降男?zhǔn)因子更是我們功率量值準(zhǔn)確統(tǒng)一的保證，在正確用好校準(zhǔn)因子的同時(shí)，我們希望對(duì)它進(jìn)行更深入的研究，利用“橫向”“縱向”的大量數(shù)據(jù)，挖掘深埋在數(shù)據(jù)表面之下——儀器的狀態(tài)特征，為我們更好使用、維護(hù)小功率標(biāo)準(zhǔn)提供一種新的方法。因此，微波功率傳感器的確認(rèn)方法可以參照本方法進(jìn)行。

［1］王志田．無(wú)線電電子學(xué)計(jì)量上冊(cè)［M］．北京：原子能出版社，2002：3．

［2］王志田．無(wú)線電電子學(xué)計(jì)量上冊(cè)［M］．北京：原子能出版社，2002：8．

［3］賀同云．微波小功率檢定裝置的設(shè)計(jì)及其不確定度分析［J］．國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2007，26（9）：31-33．

［4］劉穎,龔曉峰．一種微波功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（11）：161-163．

［5］嚴(yán)宏劍．計(jì)量確認(rèn)中有關(guān)計(jì)量驗(yàn)證的探討［J］．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（13）：3．

［6］GJB 2172—2009，裝備質(zhì)量保障中測(cè)量設(shè)備和測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量控制，中國(guó)人民解放軍總裝備部，2010：4．

［7］GJB 2715—2009，軍事計(jì)量通用術(shù)語(yǔ)，中國(guó)人民解放軍總裝備部，2009：18．

［8］鄭黨兒．JJF1033—2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》輔導(dǎo)講座第五講新規(guī)范各條款的要點(diǎn)解釋之四［J］．工業(yè)計(jì)量，2011，21（3）：57-58．