日前，由中國計量科學研究院（簡稱“中國計量院”）研制的110GHz~170GHz波段毫米波功率基準正式通過了美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）專家驗收。這臺由中國人自主研發(fā)和制造的裝置，將作為美國統(tǒng)一該波段功率量值的最高依據(jù)，為美國無線通信、電子、儀器制造等領(lǐng)域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量院（美國標準技術(shù)研究院，NIST），希望對其最新研制的功率傳感器提供功率校準，以提升該公司新研發(fā)的毫米波及太赫茲功率計、信號發(fā)生器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等產(chǎn)品技術(shù)指標的可靠性。然而NIST當時并不具備110GHz以上波段毫米波功率的校準與測量能力。

2016年7月，中國計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（CPEM）期間，就中國計量院最新自主研制的毫米波功率基準相關(guān)情況做了報告。“美國同行立刻與我們進行了接洽，詳細了解了我們的技術(shù)思路和實施方案。”崔孝海說，“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、測量準確度高，引起了同行的強烈反響。”

圖1 NIST專家在實驗室測試中國計量院研制的基準裝置

技術(shù)指標的優(yōu)越性不光體現(xiàn)在紙面上。去年9月起，NIST相關(guān)實驗室對各國建立的標準裝置進行了廣泛調(diào)研。經(jīng)過反復比較和實地考察，NIST最終決定購買中國計量院研制的WR-6功率基準和配套裝置。今年10月，專為NIST研制的功率基準復制品以及配套傳感器、功率計等在美國順利通過驗收，現(xiàn)已交付NIST實驗室使用。

瞄準前沿，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、遙感、射電天文學和臨床醫(yī)學等領(lǐng)域。在毫米波技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、應(yīng)用、維護等全壽命周期內(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，功率指標影響移動通信基站布點、終端設(shè)備功耗設(shè)定，準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。

“在110GHz以上，一般的商業(yè)功率傳感器均達不到功率標準器的指標。因此，要建立WR-6頻段的毫米波功率，必須自主研制功率傳感器，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。

圖2 中國計量院毫米波與太赫茲功率計量課題組

自2014年起，中國計量院毫米波與太赫茲功率計量課題組在國家科技支撐計劃項目“無線通信功率計量標準與溯源技術(shù)研究”課題的支撐下，開展了對國家微波與毫米波功率基準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準器、微量熱計、標準器標定等方面的技術(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裝置，頻率覆蓋18GHz～170GHz，進一步完善了我國國家微波與毫米波功率計量基準體系。

其中，課題組研制的110GHz~170GHz功率基準裝置為國際首創(chuàng)，且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，全頻段內(nèi)太赫茲波功率吸收率高達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、測量準確度高等特點。裝置的復制品已交付美國國家計量院NIST使用。據(jù)了解，課題組還在新加坡國家計量院、香港地區(qū)校準實驗室的國際采購競標中勝出，將分別為兩家機構(gòu)建立N型功率標準。

12年技術(shù)積淀造就國際領(lǐng)先水平

在計量領(lǐng)域，微波與毫米波功率是國際計量局(BIPM)定義的“關(guān)鍵參數(shù)”，是無線電計量中天線、場強、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)達國家的技術(shù)封鎖及設(shè)備禁運，我國國家微波與毫米波功率基準多個重要頻段處于空白。

圖3 交付NIST使用的WR-6波段毫米波功率基準裝置（部分）

為此，中國計量院通過12年努力，不斷學習鉆研、優(yōu)化改進功率計量技術(shù)，從無到有地建立起我國多個波段的微波與毫米波功率基準裝置，頻率覆蓋10MHz到170GHz，測量不確定度0.20%～3.5%（k=2），達國際領(lǐng)先水平。在BIPM組織的國際比對中，中國計量院研制的功率基準多次在美、德、英等發(fā)達國家計量院同類裝置中脫穎而出，受到了國際同行專家的好評。相關(guān)裝置的校準與測量能力（CMC）已全部進入BIPM關(guān)鍵比對數(shù)據(jù)庫（KCDB），成為國際互認的國家校準與測量能力。（文：陳杭杭 圖：崔孝海提供 來源：中國計量科學研究院）