计量科学与技术

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基于平行板的低频电场标准装置

刘志鹏, 林浩宇, 吴艳丽, 李恩光, 张柏林

2024, 68(8): 3-9, 37. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0086

摘要(188)

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PDF(30)

摘要:
由于各厂家生产的探头参差不齐，不同探头的性能也不尽相同，电场标准装置的研制就显得尤为重要。为了满足低频高场强电场探头的校准要求，采用平行板法研制了一套低频电场标准装置。装置由两块边长1 m，板间距0.5 m的方形铝板组成。频率范围为DC～10 kHz，电场强度范围为0～3000 V/m。通过理论分析、软件仿真和测量实验，研究了边缘效应、极板材料、结构形状、工作频率等因素对平行板产生标准电场的影响，并进行了不确定度评定。提出了新的测量模型，并对极板电压、极板间距、平行板内场均匀性、探头夹具、探头对准、平行板有限尺寸和探头影响七个因素导致的不确定度分量分别进行了评定，得到扩展不确定度为U=6.8%(k=2)。结果表明，研制的电场标准装置能够满足低频电场探头的校准要求。

基于等效电容法单极子天线校准器的研究

刘冠君, 陈益胜, 常志方

2024, 68(8): 10-17. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0101

摘要(191)

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PDF(18)

摘要:
等效电容法是CISPR 16-1-6中给出的单极子天线的主要校准方法，其原理是使用一个等效电容模拟实际的单极子天线振子，进行相应天线系数的校准，该等效电容的电容量与单极子天线自身容量相等。基于等效电容法的工作原理，设计了一款低成本、小型化、高通用性的天线校准器。仿真和实验结果表明，该校准器可以很好适用于9 kHz～30 MHz单极子天线的校准工作。给出了使用该校准器的测量不确定度的评定过程和评定结果，结果表明，采用该装置校准单极子天线的天线系数，测量结果的扩展不确定度约为1.7 dB(k=2)。

基于里德堡原子孔径的电场测量与微波传感研究

赵丹华, 陈加锐, 鲍鲁威, 朱嘉慧

2024, 68(8): 18-24, 70. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0148

摘要(382)

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PDF(79)

摘要:
近年来，里德堡原子在微波测量领域的应用逐渐崭露头角，成为了量子精密测量领域的研究热点。相较于传统微波传感技术，里德堡原子体系展现出了更高的灵敏度、更强的抗干扰能力以及独特的量子可溯源性。这些优势使得里德堡原子在微波测量中具有巨大的潜力。尽管里德堡原子体系具有诸多优势，但其复杂的能级结构和与电磁波的多样相互作用给工程应用带来了挑战。目前，基于里德堡原子的“原子孔径”传感技术在传统微波传感领域的应用仍处于初级阶段，有着巨大的提升空间。为了充分发挥里德堡原子在微波测量中的优势，并解决其在实际应用中的局限性，在总结前期研究成果的基础上，探讨了里德堡原子体系在当前电磁波收发体制中的应用前景。随着技术的不断进步，里德堡原子有望在更广泛的频段内实现精确测量，为无线通信、雷达探测等领域提供有力支持。

自由空间单站反射系数测量中校准方法的比较

杨若楠, 梁伟军, 徐浩

2024, 68(8): 25-31. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0080

摘要(198)

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摘要:
微波黑体为微波辐射计提供高精度的亮温信号以精确标定观测目标的辐射信号幅度。微波黑体的发射率是影响其辐射特性的重要参数，因此准确测量黑体发射率对于提高辐射计的定标精度和保证量值的溯源性和有效传递具有重要意义，目前黑体发射率主要通过测量反射率来间接计算得到。本文实现了自由空间单站反射系数测量中的两种校准方法：偏移短路校准法和滑动负载校准法，采用时域门技术解决了小反射测量过程中多径反射信号的影响。搭建了反射率测量系统，在75～110 GHz频段内测量了同一黑体目标的反射率，并对测量结果进行了分析和比较。两种校准方法解算的误差项具有很好的一致性，测量发射率均能到达0.999～0.9999量级。当被测黑体满足近似条件时，使用滑动负载校准法具有更高的效率。最后，以偏移短路法为例，采用蒙特卡洛方法对微波黑体反射系数的测量不确定度进行了评定。

浅析等效源反射系数以及K. Shimaoka测量方法的局限性

贾超, 张一航, 陈硕, 李勇, 崔孝海

2024, 68(8): 32-37. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0090

摘要(94)

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PDF(6)

摘要:
等效源反射系数在微波功率测量与测量结果的不确定度评定中占有决定位置。首先介绍了在稳幅信号源系统中的源反射系数，和使用三端口器件测量功率比值时等效源反射系数之间的关系，从失配因子的角度解释了等效源反射系数中“等效”的含义。其次，简要介绍了日本K. Shimaoka提出的利用网络分析仪与三端口器件测量等效源反射系数方法的工作原理与使用的局限性。最后，以N型功分器和定向耦合器为测量对象，基于K.S方法与传统公式方法在1～18GHz频段进行了相关实验与结果的比较与验证。结果表明，K.Shimaoka的等效源反射系数测量方法具有一定局限性，由于该计算方法中获得的传输系数之差较小，该项容易对细微变化敏感，因此不适用于使用方向性较好的三端口器件（如：定向耦合器）时的等效源反射系数测量。

直接比较法在VNA与功率传递标准中的测量对比

蔡成欣, 张一航, 袁文泽, 李勇, 崔孝海

2024, 68(8): 38-43, 70. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0141

摘要(83)

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摘要:
校准因子是用于表征射频功率传感器示数准确度的参数，定义为功率传感器显示功率和入射功率的比值，它是功率量值传递的对象。介绍了直接比较法和基于VNA的直接比较法的组成与测量原理，阐述了等效源反射系数在直接比较法里的应用，并使用直接比较法和基于VNA的直接比较法测量了 Rohde Schwarz NRP50T 功率传感器的校准因子。测量结果显示，两种方法测量的修正后校准因子之间的最大差异为3.056%，基于VNA的直接比较法的等效源反射系数一般大于直接比较法，直接比较法不确定度评定方法成熟，仍是目前最主流的射频功率传感器校准方法。

基于计量科学数据的频谱分析仪长期性能分析

张越, 丁晟, 林涛, 赵科佳, 张爱敏

2024, 68(8): 44-50, 63. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0133

摘要(153)

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摘要:
频谱分析仪是无线电电子领域中普遍使用的关键仪器设备，其关键指标的长期稳定性一直是用户和生产厂家非常关注的问题，准确的技术指标跟踪对该仪器的研发改进、使用及维护更新具有重要作用。中国计量科学研究院积累了长达十年以上的频谱分析仪校准数据，这些数据具有可溯源性、准确性。基于这些计量科学数据，分别介绍了频谱分析仪的工作组成原理、关键性能指标及测量校准系统及方法，重点分析了国内典型用户的典型频谱分析仪的显示平均噪声电平、输入频率响应在长期使用过程中的变化情况，为频谱分析仪研制、生产、测试、维修保障等方面提供更可靠的依据。

输入功率对电磁混响室特征参数影响的实验研究

张昊民, 郭晓涛, 刘科, 刘天鑫

2024, 68(8): 51-57. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0063

摘要(199)

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摘要:
电磁混响室的校准通常是在较低输入功率下面向场均匀性和归一化场强等特征参数进行，但在电磁兼容抗扰度测试等实际应用中，实际工作在较高输入功率条件下，目前相关国际和国内标准中对此差异是予以忽略的，没有给出具体理论或实验证明。设计并开展了具体的实验研究，确认了输入功率对电磁混响室特征参数的影响程度。其中，低输入功率下的校准采用基于三维光电场探头的快速校准技术方案，高输入功率下的参数测量与汽车零部件抗扰度测试的实际工作状态保持一致。实验结果表明，不同输入功率对场均匀性这一特征参数的影响基本在±0.5 dB以内，对归一化场强的影响在2 dB以内。进一步的，基于对实验结果的分析，给出了相应的电磁混响室校准和测试过程中对场均匀性和归一化场强标定的建议。

定标热敏电阻型功率传感器定标结果的研究

聂禄, 李向军, 崔孝海, 王梓灏, 赵岩

2024, 68(8): 58-63. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0075

摘要(181)

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摘要:
热敏电阻型功率计采用直流替代的方法测量微波、毫米波功率，为了补偿环境温度变化对测量带来的影响，功率计通常具备测量电桥和补偿电桥，以双电桥模式进行测量。用微量热计型功率基准定标被校同轴热敏电阻型功率传感器时，不能因为环境温度稳定而单独使用测量电桥，为了保证定标结果的有效性，在基准定标中不仅需要对环境温度进行补偿，还需要对双元件误差导致的陶瓷芯温度变化进行补偿。实验表明，在18 GHz、10 mW电平定标时，分别使用单、双电桥功率计测得N型同轴热敏电阻功率传感器的替代功率偏差为0.38%。波导热敏电阻型功率传感器为单元件结构，定标其有效效率时不需要考虑单、双电桥测量问题。

毫米波宽带调频连续波信号的全波形计量校准技术研究

何昭, 徐清华, 刘雪菲, 张亦弛

2024, 68(8): 64-70. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0126

摘要(119)

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PDF(8)

摘要:
为了更好地满足毫米波汽车雷达领域对调频连续波（FMCW）信号测试设备的校准需求，提升针对毫米波宽带复杂模拟调制信号的计量和测试能力，构建了频域全波形计量标准装置和被校FMCW测试设备的混合测量系统，利用二者对自定义毫米波FMCW信号的原位、同步测量，实现对商用仪表的校准和性能验证。在24 GHz和60 GHz典型毫米波雷达频段，充分对比了不同测量方法和设备的性能差异。实验结果表明，频域全波形计量方法优于相关商用仪器，在200 MHz窄带和2 GHz宽带条件下的线性调频偏差测量结果均小一个数量级，具备开展校准和性能验证的技术条件。

基于非均匀采样的近场散射测量技术研究

司炜康, 王维龙

2024, 68(8): 71-77, 17. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0066

摘要(122)

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PDF(7)

摘要:
传统频率步进 (Stepped frequency, SF)测量体制通过一组等间隔的离散点频信号合成大测量带宽。由于采样定理的限制，固定频率间隔数据所对应的时域信号将会呈周期出现，此时场地内的背景、多径干扰都有可能混叠至目标区域内，进而对成像和散射测量造成恶劣影响。围绕频率步进体制快速测量方法进行了探索，提出了一种基于非均匀采样的近场散射测量技术。分析了距离混叠效应对散射测量的影响，根据实际应用需求设计了采样函数的优化原则，通过泊松和公式与驻定相位原理(Principle of stationary phase, POSP)对信号包络进行赋形。针对传统非均匀采样重构方法所造成的散射图像退化问题，提出了一种与非均匀采样策略相适配的加权方法，在有效抑制混叠干扰的同时实现了高分辨率成像，并提升了近远场变换(Near Field to Far Field, NF-FF)的精度。

微波暗室静区反射率电平的数据处理方法

赵兴, 班浩, 洪力, 刘潇

2024, 68(8): 78-82, 37. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0087

摘要(210)

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PDF(28)

摘要:
微波暗室是工作在微波频段的暗室，是天线、目标散射特性等领域测量中使用的实验场地，用来模拟自由空间，相比与室外测试场，具有全天候、低反射的优势。实际应用中，由于内部铺设的吸波材料无法完全吸收特定频段电磁波等原因，暗室中的测试区域仍会有干扰的反射信号存在，这些反射信号从各个方向进入测试区域并与收发天线之间的直射波叠加，在测试区域内一定行程上形成空间驻波分布。测试区域内的干扰反射指标用静区反射率电平表征。将微波暗室用于天线辐射方向图等参数测量时，应评估暗室中不同角度的静区反射率电平。微波暗室静区反射率电平测量方法常采用自由空间电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio, VSWR）法。测试区域中直射信号和反射信号的矢量和一定行程上形成空间驻波，空间驻波的数据处理方式决定了静区反射率电平计算结果，实际测试曲线中驻波峰峰值的选择方式直接决定了测量结果。详细讨论了微波暗室内反射率电平的采集数据和处理方法，有助于优化现场测量测试的测试方案，并对静区扫描架的优化设计有积极意义。

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