日前，由中國計(jì)量科學(xué)研究院(簡稱“中國計(jì)量院”)研制的110GHz~170GHz波段毫米波功率基準(zhǔn)正式通過了美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)專家驗(yàn)收。這臺(tái)由中國人自主研發(fā)和制造的裝置，將作為美國統(tǒng)一該波段功率量值的較高依據(jù)，為美國無線通信、電子、儀器制造等領(lǐng)域的用戶提供量值溯源服務(wù)。
毫米波功率無法溯源，NIST找到中國計(jì)量院
2016年年初，美國某知名電子測試和測試儀器公司找到美國國家計(jì)量院(美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院，NIST)，希望對(duì)其研制的功率傳感器提供功率校準(zhǔn)，以提升該公司新研發(fā)的毫米波及太赫茲功率計(jì)、信號(hào)發(fā)生器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的可靠性。然而美國方面當(dāng)時(shí)并不具備110GHz以上波段毫米波功率的校準(zhǔn)與測量能力。
2016年7月，中國計(jì)量院信電所微波室主任崔孝海在參加國際精密電磁測量大會(huì)(CPEM)期間，就中國計(jì)量院自主研制的毫米波功率基準(zhǔn)相關(guān)情況做了報(bào)告?！懊绹辛⒖膛c我們進(jìn)行了接洽，詳細(xì)了解了我們的技術(shù)思路和實(shí)施方案?！贝扌⒑Ｕf，“我們的裝置突破了110GHz以上功率測量的技術(shù)瓶頸，工作頻帶寬、響應(yīng)曲線平坦、熱電轉(zhuǎn)換速度快、測量準(zhǔn)確度高，引起了同行的強(qiáng)烈反響。”
技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)越性不光體現(xiàn)在紙面上。去年9月起，NIST相關(guān)實(shí)驗(yàn)室對(duì)各國建立的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了廣泛調(diào)研。經(jīng)過反復(fù)比較和實(shí)地考察，NIST最終決定購買中國計(jì)量院研制的WR-6功率基準(zhǔn)和配套裝置。今年10月，專為NIST研制的功率基準(zhǔn)復(fù)制品以及配套傳感器、功率計(jì)等在美國順利通過驗(yàn)收，現(xiàn)已交付NIST實(shí)驗(yàn)室使用。
瞄準(zhǔn)前沿，攻克難題
毫米波是頻率在30GHz~300GHz范圍內(nèi)的電磁波，被廣泛應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)、遙感、射電天文學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在毫米波技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)等全壽命周期內(nèi)，功率測量都是“不可替代”的技術(shù)手段，功率測量準(zhǔn)確與否在許多領(lǐng)域都至關(guān)重要。
據(jù)崔孝海介紹，在空間應(yīng)用領(lǐng)域，準(zhǔn)確的功率測量可確保星間通信的功率裕量，為減小天線口徑、降低發(fā)射成本提供依據(jù);在通信領(lǐng)域，功率指標(biāo)影響移動(dòng)通信基站布點(diǎn)、終端設(shè)備功耗設(shè)定，準(zhǔn)確的功率測量可以節(jié)約大量能耗，保障通信系統(tǒng)綠色、安全、可靠。
隨著毫米波系統(tǒng)需求的快速增長，毫米波技術(shù)不斷向著微波的高頻帶延展，這給毫米波參數(shù)測量帶來了新的挑戰(zhàn)。
“在110GHz以上，一般的商業(yè)功率傳感器均達(dá)不到功率標(biāo)準(zhǔn)器的指標(biāo)。因此，要建立WR-6頻段的毫米波功率，必須研制功率傳感器，解決其寬帶高匹配、快速熱電轉(zhuǎn)換和與直流功率之間清晰的溯源關(guān)系”，崔孝海介紹說。
自2014年起，中國計(jì)量院毫米波與太赫茲功率計(jì)量課題組在國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“無線通信功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與溯源技術(shù)研究”課題的支撐下，開展了對(duì)國家微波與毫米波功率基準(zhǔn)裝置性能提升和全面優(yōu)化研究。經(jīng)過三年努力，課題組成功攻克了功率標(biāo)準(zhǔn)器、微量熱計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)定等方面的技術(shù)瓶頸，解決了寬帶高匹配、快速熱電轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)確量熱和相關(guān)量值向直流功率溯源的技術(shù)難題，建立起6套國家微波與毫米波功率基準(zhǔn)裝置，頻率覆蓋18GHz～170GHz，進(jìn)一步完善了我國國家微波與毫米波功率計(jì)量基準(zhǔn)體系。
其中，課題組研制的110GHz~170GHz功率基準(zhǔn)裝置為國際首創(chuàng)，且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，全頻段內(nèi)太赫茲波功率吸收率高達(dá)99%以上，具有工作頻帶寬、響應(yīng)曲線平坦、熱電轉(zhuǎn)換速度快、測量準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。裝置的復(fù)制品已交付美國國家計(jì)量院NIST使用。據(jù)了解，課題組還在新加坡國家計(jì)量院、香港地區(qū)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的國際采購競標(biāo)中勝出，將分別為兩家機(jī)構(gòu)建立N型功率標(biāo)準(zhǔn)。
12年技術(shù)積淀造就國際領(lǐng)先水平
在計(jì)量領(lǐng)域，微波與毫米波功率是國際計(jì)量局(BIPM)定義的“關(guān)鍵參數(shù)”，是無線電計(jì)量中最基本的參數(shù)。功率參數(shù)也是天線、場強(qiáng)、散射等其它關(guān)鍵參數(shù)量值溯源的源頭。長期以來，由于國內(nèi)核心技術(shù)的缺乏和發(fā)達(dá)國家的技術(shù)封鎖及設(shè)備禁運(yùn)，我國國家微波與毫米波功率基準(zhǔn)多個(gè)重要頻段空白。
為此，中國計(jì)量院通過12年努力，不斷學(xué)習(xí)鉆研、優(yōu)化改進(jìn)功率計(jì)量技術(shù)，從無到有地建立起我國多個(gè)波段的微波與毫米波功率基準(zhǔn)裝置，頻率覆蓋10MHz到170GHz，測量不確定度0.20%～3.5%(k=2)，達(dá)國際領(lǐng)先水平。在BIPM組織的國際比對(duì)中，中國計(jì)量院研制的功率基準(zhǔn)多次在美、德、英等發(fā)達(dá)國家計(jì)量院同類裝置中脫穎而出，受到了國際同行專家的好評(píng)。相關(guān)裝置的校準(zhǔn)與測量能力(CMC)已全部進(jìn)入BIPM關(guān)鍵比對(duì)數(shù)據(jù)庫(KCDB)，成為國際互認(rèn)的國家校準(zhǔn)與測量能力。
449717568
33