Создание средств метрологического обеспечения измерения отношения мощностей в диапазоне СВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, кандидат технических наук Пивак, Алексей Вячеславович

• Пивак, Алексей Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пивак, Алексей Вячеславович

Введение

1 Обеспечение единства измерений отношения мощно- 8 стей СВЧ

1.1 Система обеспечения единства измерения 8 отношения мощностей СВЧ

1.2 Средства обеспечения единства измерения 13 отношения мощностей СВЧ

2 Исследование нелинейности термисторных преобразо- 25 вателей мощности СВЧ

2.1 Метод определения нелинейности терми- 25 сторного преобразователя в микрокалориметре

2.2 Экспериментальное исследование нелиней- 34 ности термисторных преобразователей мощности СВЧ

2.3 Определение функции преобразования тер- 45 мисторных преобразователей в расширенном динамическом диапазоне

2.4 Анализ минимально достижимых погрешно- 53 стей определения нелинейности термистора в микрокалориметре

3 Формирование шкалы отношения мощностей СВЧ в 60 расширенном динамическом диапазоне

3.1 Мера отношения мощностей СВЧ

3.2 Методика определения градуировочной ха- 70 рактеристики измерителей отношения мощностей СВЧ

3.3 Оценка погрешности из-за пролезания 77 мощности СВЧ при измерении комплексного коэффициента передачи 4 Поверочная схема средств измерения отношения мощ- 90 ностей и вторичный эталон отношения мощностей ВЭТ 26-4

4.1 Структура ВЭТ 26-4

4.2 Поверочная схема для средств измерений 96 отношения мощностей СВЧ

4.3 Контроль за единством измерений отноше- 104 ния мощностей СВЧ на основе сличений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание средств метрологического обеспечения измерения отношения мощностей в диапазоне СВЧ»

Актуальность. Измерения мощности электромагнитных колебаний (ЭМК) являются одним из основных видов измерений в технике сверхвысоких частот (СВЧ). В области измерения мощности СВЧ фактически подлежат измерению две величины: мощность [Вт] и отношение мощностей [дБ]. При этом одни приборы измеряют или воспроизводят обе величины одновременно (анализаторы спектра, измерители мощности и генераторы СВЧ), а другие - только отношение мощностей (аттенюаторы). Значения минимально достижимых погрешностей тоже различные: а) 0,2-0,4 % для мощности ЭМК; б) 0,02% (0,001 дБ) для отношения мощностей.

Существование в России государственной поверочной схемы для средств измерений мощности ЭМК, а также государственного эталона размера единицы этой величины обеспечивает единство и требуемую точность при измерениях. Другая ситуация сложилась с измерением отношения мощностей. Результаты проведенных исследований минимально достижимых погрешностей при измерениях отношения мощностей не отвечают требованиям новых нормативно-технических документов (ГОСТ 8.000-2000 и ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2000) в части воспроизведения шкалы отношения мощностей и прослеживаемости результатов измерений, и не достаточны для внедрения в метрологическую службу. Поэтому отсутствует основа для разработки поверочной схемы и достоверных оценок погрешностей исходных эталонов.

Необходимость создания нормативной и технической базы для построения иерархической системы передачи шкалы отношения мощностей ставит задачу измерения отношения мощностей с погрешностью 0,001-0,002 дБ на каждые 10 дБ. Наряду с поверочной схемой, комплектом необходимых методик и средств измерений решение такой задачи позволит заложить основу для обеспечения единства измерений отношения мощностей.

Целью работы является обеспечение единства и достоверности измерения отношения мощностей в пределах от (-140) до (+20) дБ относительно 1 мВт в диапазоне частот 0,1. 18 ГГц путем создания иерархической системы передачи шкалы отношения мощностей на основе вторичного эталона отношения мощностей и поверочной схемы для средств измерения отношения мощностей.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

- создание программно-аппаратного комплекса рабочего эталона отношения мощностей СВЧ;

- исследование значений нелинейности функции преобразования термисторных измерителей мощности в микрокалориметре;

- разработка, создание и исследование меры отношения мощностей на основе комбинации широкополосного ступенчатого коаксиального аттенюатора и развязывающих вентилей;

- разработка методов и методик передачи шкалы отношения мощностей (поверочной схемы);

- исследование погрешностей на каждом уровне иерархической схемы передачи шкалы отношения мощностей ЭМК в коаксиальном и волноводном тракте в диапазоне частот 0,1-18 ГГц.

Научная новизна. При выполнении диссертационной работы получены следующие основные научные результаты:

1 Показана необходимость разработки и пути реализации иерархической системы обеспечения единства измерений отношений мощностей СВЧ.

2 Предложен "эталонный" метод определения функции преобразования исходных измерителей отношения мощностей в микрокалориметре, получено уравнение измерений.

3 Экспериментально осуществлено измерение функции преобразования термисторного преобразователя в микрокалориметре, проведен анализ достигнутых при этом погрешностей.

4 Разработана и исследована модель схемы измерений отношения мощностей, учитывающая наличие паразитных связей (пролезания) между измерителем отношения мощностей и генератором.

5 На основании полученных расчетных соотношений и результатов экспериментальных исследований разработан вторичный эталон отношения мощностей, обеспечивающий воспроизведение шкалы отношения мощностей с погрешностью не более 0,003 дБ на 10 дБ в тракте с коэффициентом отражения не более 0,005 в диапазоне частот 0,1-18 ГГц.

К защите представлены :

1 Иерархическая система передачи шкалы отношения мощностей СВЧ от исходного измерителя отношения мощностей из состава Государственного эталона мощности ЭМК ГЭТ 26-94 к рабочим средствам измерения, обеспечивающая формирование шкалы мощности СВЧ и единство измерений отношения мощностей СВЧ.

2 Метод и результаты определения функции преобразования исходного измерителя отношения мощностей на основе термисторного измерителя мощности в микрокалориметре из состава ГЭТ 26-94.

3 Методы и средства измерений для передачи шкалы отношения мощностей СВЧ от исходного измерителя отношения мощностей СВЧ к рабочим средствам измерений, результаты исследований достижимых погрешностей при передаче шкалы.

Методы исследований. Теоретические исследования в диссертации проведены на основе теории шкал, матричной алгебры, математической статистики. Применялись численные методы математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием аппаратуры государственного эталона мощности ЭМК ГЭТ 2694 и рабочего эталона напряжений РЭН-3.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы применены для создания ряда локальных нормативных документов и технических средств, позволяющих производить поверку средств измерения отношения мощностей в условиях территориального органа государственной метрологической службы Ростест-Москва. Разработанный рабочий эталон отношения мощностей по своим метрологическим характеристикам соответствует мировому уровню и может быть использован в качестве основы для создания вторичного эталона отношения мощностей. Полученные в диссертации соотношения и методики оценки погрешностей могут быть полезны при разработке новых СИ.

Внедрение. Рабочий эталон отношения мощностей ФГУ "Ростест-Москва" используется для передачи шкалы отношения мощностей на нижестоящие уровни поверочной схемы. На нем проводится поверка до 5 рабочих эталонов 1-ого разряда группы ДК1 и до 30 рабочих эталонов 2-ого разряда группы ДЗ в год. Поверочная схема совместно с методиками оценок погрешностей, предложенная в диссертации, утверждена в качестве локальной поверочной схемы для ФГУ "Ростест-Москва".

Заключение диссертации по теме «Метрология и метрологическое обеспечение», Пивак, Алексей Вячеславович

Выводы из главы 4

1) Вторичный эталон ВЭТ 26-4-03 имеет метрологические характеристики, пригодные для поверки всех существующих на сегодняшний день средств измерений отношения мощностей, и может быть положен в основу иерархической системы воспроизведения и передачи шкалы отношения мощностей с погрешностью от 0,003 дБ на 10 дБ.

2) Принятие поверочной схемы, устанавливающей соподчинение средств измерений отношения мощностей, обеспечит единство измерений и прослеживаемость результатов измерений отношения мощностей СВЧ, и позволит получить результаты измерений с меньшей погрешностью и большей доверительной вероятностью.

3) Методика сличений гетеродинных измерителей отношения мощностей позволяет обеспечить контроль за единством измерений на уровне рабочих эталонов 1-ого разряда в случае отсутствия исходных средств измерения отношения мощностей.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы:

1 Доказана необходимость построения иерархической системы обеспечения единства измерений отношения мощностей СВЧ.

2 Показана необходимость введения в состав ГЭТ 26-94 исходного измерителя отношения мощностей с известной функцией преобразования.

3 Разработан "эталонный" метод определения функции преобразования исходных термисторных измерителей отношения мощностей СВЧ в микрокалориметре, позволяющий достигнуть погрешности результата измерения не более 0,0015 дБ в диапазоне 10 дБ.

4 Экспериментально исследованы исходные термисторные измерители отношения мощностей из состава ГЭТ 26-94.

5 Разработана мера отношения мощностей, а также методики определения градуировочной характеристики измерителей отношения мощностей и учета влияния пролезания на результат измерения отношения мощностей, позволяющие передавать шкалу отношения мощностей от эталонов к рабочим средствам измерений.

6 На основании полученных расчетных соотношений и результатов экспериментальных исследований разработан эталон отношения мощностей, представленный к утверждению в качестве ВЭТ 26-4-03 в установленном порядке. Эталон обеспечивает передачу шкалы отношения мощностей с погрешностями от 0,003 дБ на 10 дБ в динамическом диапазоне 0-60 дБ в диапазоне частот 0,1-18 ГГц.

7 Разработана поверочная схема, позволяющая обеспечить единство измерений отношения мощностей. Возможности передачи шкалы отношения мощностей по поверочной схеме проверены экспериментально.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пивак, Алексей Вячеславович, 2003 год

1. Sorger, В. Weinschel. Comparison of deviations from square law for RF crystal diodes and barretters .W1.E Trans. Instrumentation. - 1959.-v.I-8. - p.103.

2. The International System of Units(SI)\\ BIPM. 1998. - 7th edition.

3. Чуйко В.Г. Воспроизведение шкалы измерений мощности при сверхвысоких частотах\\Измерительная техника. 2003. - №12. - с.

4. Брянский JI.H., Дойников А.С., Крупин Б.Н. Шкалы, единицы и эталоны\\Измерительная техника. 1992. - №6. - с.4.

5. Брянский JL, Чуйко В. Некоторые вопросы обеспечения единств измерений отношений мощностей сигналов СВЧ-диапазона\\Измерительная техника. 1999. -№10. -с.45.

6. МИ 1762-87. ГСИ. Установки супергетеродинные для измерений ослаблений и фазового сдвига вида Д1, ДК1. Методика поверки.

7. Web BIPM key comparisons database (www.bipm.org).

8. Web NPL RF and microwave guided theme (www.npl.co.uk).

9. Web PTB Section 2.22 HF attenuation (www.ptb.de).

10. H.Bayer, D.Stumpe. Attenuation transfer standards for international and national intercomparisonsWMetrologia. -1982. №18. - p.l87.

11. W.Larson. Gearing errors as related to aligment techniques of the rotary vane attenuatorWIEEE Trans. On IM. 1965. - V. IM-14. -№3. - p.l 17.

12. H.Carlin, M.Sucher. Accuracy of bolometric power measure-mentsWIRE Proc. 1952. - V.40. - p. 1042.

13. G.Engne, R.Beatty. Microwave attenuation measurements with accuracies from 0.0001 to 0.06 dB over a range of 0.01 to 60 dBWJournal of Research of NBS -1960. -V.64C. №2. - p.l39.

14. G.Engen. Recent developments in the field of microwave power measurements at the NBSWIRE Transactions. Dec. 1958. - p.304.

15. Weinschel B.,Sorgor G.,Hedrich A. Relative voltmeter for VHF/UHF signal generator attenuator calibrationWIRE Trans.-1959. -V.8. p. 22.

16. Hollway D., Kelly F. A standard attenuator and the precise measurement of attenuationWIEEE Trans. IM.-1964.-V.13.- p.33.

17. Беккеров В.П. Погрешность из-за нелинейности преобразования болометрических и диодных смесителей супергетеродинных измерителей ослабления\\Измерительная техника. 1989. - №5.- с.41.

18. G.Kilby,Т. Smith,F.Warner. The accurate measurement of high attenuation at RFWIEEE Trans. On IM. -1995. V.44. - №2. - p.307.

19. Ивахненко A.T., Васильева B.B. Применение установки Д1-2У для измерения ослаблений в диапазоне частот 200-1000 МГц\\Измерительная техника. 1968. - №9. - с.67.

20. Hawes R. Technique for measuring photometric accuracyWAppl. Optics. 1977. - V.10. - №6. - p.1246.

21. R.Clark. Absolute Calibration of microwave attenuation measurement systemWIEEE Trans. On IM. 1976. - V.25. -№2. - p. 126.

22. H.Bayer, F.Warner, R.Yell. Attenuation and Ratio National Stan-dardsWIEEE Proceedings. - 1986. - V.74. - №1. - p.46.

23. D.Stumpe. Recent developments in the PTB RF standard attenuation measuring equipmentWIEEE Trans on IM. 1991. - V.40. - №3. - p.652.

24. W.Ruhle, D.Stumpe. Voltage ratio technique used with national RF standard attenuation measuring equipment at the PTBWIEEE Trans. On IM. -1993. V.42. - №6. - p. 1009.

25. Васильев Д.Р.\\ 4 Всероссийская научно техническая конфере-ниция "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в РФ". -пос. Поведники Московской обл., 18-22 ноября 2002 года. - часть 1. -с.19.

26. Holland К., Howes J. Improvements to the Microwave Mixer and

27. Power Sensor LinearityWIEE Proc. Sci. Meas. Technol. 2002. - №6. - p. 329.

28. В.Чуйко. Взаимосвязь физических величин в радиоизмерениях на ВЧ и СВЧ и перспектива создания комплексированных этало-нов\\Измерительная техника. 1997. - №5. - с.41.

29. Перепелкин В.А., Пивак А.В., Чуйко В.Г. Исследование линейности эталонных термисторных ваттметров и минимально достижимых погрешностей измерений отношения мощностей СВЧ\\Измерительная техника. 2003. - №10. - с.

30. G.Engen. A self-balancing direct current bridge for accurate bo-lometric power measurementsWResearch NBS. 1957. - №59. - p. 101.

31. Т.Пантелеева, В.Чуйко. Погрешность эквивалентности тепловых компараторов интенсивности электромагнитного излучения\\ Измерительная техника. 1987. - №12. -с.45.

32. В.Перепелкин. Нелинейность функции преобразования термоэлектрических преобразователей мощности СВЧ\\Измерительная техника. 1988. - №5. - с.53.

33. H.Gierke,L.Grno,D.Janik,K.Munter. Automatic RF Voltage Calibration with a Primary Voltage Standard up to 1 GHzWIEEE Trans. On IM. -1993. V.42. -№2. - p.519.

34. В.Чуйко. Применение рабочих эталонов мощности СВЧ в качестве эталонов напряжения\\Измерительная техника. 1997. - №5. - с.48.

35. ЕА-2-03. EAL Interlaboratory Comparisons.

36. G.Engen. A DC-RF substitution error in dual element bolometer mountWJournal of research of the NBS. 1961. - V.65C. - №2. - p.28.

37. G.Engen. A refined X-band microwave microcalorimeterW Journal of Research of NBS. 1959. - V.63C. - №1. - p.77.

38. Чуйко В.Г. Рабочие эталоны ослабления для коаксиальных трактов на основе ступенчатых аттенюаторов\\«Метролопя в електрошщ- 2000», III М1жнародна науково-техшчна конференщя. Науков! пращ конференцп, г. Харюв. 2000. - том 1.-е. 128.

39. М.Силаев,С.Брянцев. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. М.:Советское радио. - 1970.

40. А.Коудельный, В.Чуйко. Калибровка мер отношений комплек-сированных эталонов на ВЧ и СВЧ\\Измерительная техника. 1997. - №5.- с.45.

41. Пивак А.В. Оценка погрешности результата измерения при поверке измерителей отношения мощностей СВЧ методом прямых измере-ний\\Измерительная техника. 2003. - №2. - с.40.

42. ЕА-4/02. Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration.

43. G.Sorger, B.Weinschell. Precisie insertion loss measurements using imperfect square law detectors and accuracy limitation due noiseWIRE Trans. Instrumentation. 1955. - v. PGM. - p.55.

44. Пивак A.B., Чуйко В.Г. Оценка погрешности из-за пролезания при измерениях комплексного коэффициента передачи на установках типа ДК1 Законодательная и прикладная метрология. 2002. - №6. -с.ЗЗ.

45. ЕА-10/12. ЕА Guidelines on the Evaluation of Vector Network Analysers (VNA).

46. H.Bayer. An error analisys for the RF attenuation measuring equipment of the PTB applying power methodWMetrologia.- 1975. -№11.- p.43.

47. А.Мыльников, В.Перепелкин, Ю.Шпагин. Чувствительность ваттметров СВЧ к паразитным гармоническим составляю-щим\\Измерительная техника. 1980. - №2. - с.37.

48. Пивак А.В. Уменьшение погрешности рассогласования при поверке поляризационных аттенюаторов\\Главный метролог. 2003. - №1. -с.15.

49. Ш.Х. Исхаков, А.В. Мыльников, В.Г. Чуйко. Исключение погрешности рассогласования при градуировке СВЧ ваттмет-ров\\Измерительная техника. -1986. №9. - с.50.

50. Корнеев С.А., Пивак А.В., Чуйко В.Г. Обеспечение единства измерений ослаблений на СВЧ на основе круговых сличений гетеродинных установок\\Измерительная техника. 2002. - №10. - с.42.

51. R. Swarup, R. L. Mendiratta, R. S. Yadava, W. K. Chow, D. Chan, H. W. Li, С. M. Fung. Bilateral comparison of attenuation at high and microwave frequenciesWMetrologia. 1999. - V.36. - №2.

52. МИ 1832-88. "ГСИ. Сличение групп средств поверки одинакового уровня точности. Основные правила".