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高频和微波功率基准及其应用研究

刘欣萌  
【摘要】: 高频和微波功率参量是电子计量的最基本测量参量之一,建立我国国家高频和微波功率计量基准、标准,是确保我国电子测量溯源到国际单位制(SI)和测量结果准确一致的重要的基础研究工作。因此,高频和微波功率基准的研究具有重要的理论意义和实用价值。 目前各国高频和微波小功率国家基准、标准均采用量热计法和微量热计法建立。本文在分析量热原理的基础上,重点研究了传统微量热计存在的不足,以及其对功率测量准确度的影响;改进了微量热计的设计方法,采用该方法研制了我国国家宽带同轴功率基准。继而对功率量值传递系统进行研究,完善了功率计测量和校准过程的描述模型,针对新型功率计设计了新的功率计校准系统,采用不同于传统的不确定度传播律的蒙特卡罗方法进行了不确定度评定。 本文的主要研究内容和成果如下: 1.针对微量热计功率基准隔热传输线损耗难以测量的缺点,对微量热计隔热传输线热传递情况进行详细分析,基于隔热传输线热平衡时间远大于功率座壁热平衡时间的特点,提出周期加退高频和微波功率的方法,减小了隔热传输线损耗对有效效率测量影响,并用该影响量对有效效率进行修正,降低了有效效率测量的复杂程度,减少了有效效率测量的不确定度来源。该方法在我国自行研制的宽带同轴微量热计功率基准中得到了应用,保证了我国功率基准在国际比对中取得较好的结果。 2.针对新型商用功率计测量功率范围大、自校准和自修正的特点,完善了功率计测量和校准过程的描述模型,提出了直接测量商用功率计修正因子的方法,对现有商用功率计的校准系统进行了改进,减少了修正因子的不确定度来源,其测量不确定度优于商用功率计厂家给出的不确定度。 3.运用热传递理论研究了热敏电阻功率传感器在微量热计定标中的过程和热敏电阻功率传感器测量功率的过程,得出热敏电阻功率传感器有效效率和换热特性的关系,并用国际比对数据进行了验证。为此,定义了与换热特性无关的“真有效效率”,研究了“真有效效率”和有效效率差异带来的功率测量的热等效误差,提出了缩短功率测量时间等减小该项误差的方法。 4.针对传统的不确定度传播律难以准确处理失配误差和无法获得准确的不确定度覆盖因子的缺点,提出了采用蒙特卡罗方法评定商品功率计校准因子的不确定度、修正因子的不确定度和功率测量结果的不确定度,不确定度评定的仿真结果表明,蒙特卡罗方法优于传统的不确定度传播律。


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