автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Создание средств метрологического обеспечения измерения отношения мощностей в диапазоне СВЧ

На правах рукописи

Пивак Алексей Вячеславович

Создание средств метрологического обеспечения измерения отношения мощностей в диапазоне СВЧ

специальность 05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в ФГУ "Россииский центр испытании и сертификации Ростест-Москва" и в ГП "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений".

Научный руководитель: кандидат технических наук старший научный сотрудник Чуйко Владислав Григорьевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук старший научный сотрудник Тимофеев Евгений

Юрьевич;

кандидат технических наук старший научный сотрудник Брянский Лев

Николаевич.

Ведущая организация: "32 Государственный научно-

исследовательский испытательный институт Министерства обороны Российской Федерации".

Защита состоится /в Юр 6 ю.сю на заседании

диссертационного совета Д212.133.05 при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете): 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ (ТУ).

Автореферат разослан 4 Ц __,

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

Чернов A.A.

3 -А

Общая характеристика работы.

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 - 0,04 % (0,001-0,002 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 Р 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 пиедеяа*-©*- (-140) до (+20) дБ

рос. национальная]

библиотека

относительно 1 мВт в диапазоне частот ОЛ . ¡8 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, погрешность результата измерения не превышает 0,0015 дБ в диапазоне 10 дБ.

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 соотношении 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 диапазоне частот 0,1-18 ГГц.

К защите представляются:

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 26-94 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 средств измерений.

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".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-технической конференции «Метрология в электронике - 2000», г. Харьков, 2000.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях и 1 тезисе доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Общий объем диссертации 115 стр., в том числе 37 рисунков,'список литературы на 5 стр., содержащий 53 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе обоснована необходимость построения иерархической системы обеспечения единства измерений отношений мощностей СВЧ, показана техническая возможность создания системы. Перечислены исходные средства измерения отношения мощностей, разработка и исследование которых требуется для реализации системы обеспечения единства измерения отношения мощностей СВЧ.

Обеспечение единства измерений мощности СВЧ в России

осуществляется с помощью иерархическом системы передачи единицы величины от государственного эталона мощности СВЧ ГЭТ 26-94 рабочим средствам измерении в соответствии с поверочной схемой. По программе Госстандарта РФ о пересмотре некоторых положений Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) был принят ГОСТ 8.0002000. Одним из новых положений этого нормативного документа является требование о воспроизведении не только единиц физических величин, но и их шкал. Такое требование, заложенное в основополагающем документе, влечет за собой внесение изменений в стандарты ГОСТ системы ГСИ, определяющие порядок хранения, воспроизведения и передачи единицы мощности СВЧ. Необходимо регламентировать способы воспроизведения любой точки шкалы. В государственном первичном эталоне мощности ЭМК СВЧ ГЭТ 26-94 реализуется динамический диапазон мощностей от 10"4 до 10' 2 Вт (20 дБ), рабочие средства измерения мощностей по ГОСТ 8.562-96 имеют пределы измерений от 10"14 до 10 Вт (150 дБ). Указания на способы расширения динамического диапазона от эталона к рабочим средствам измерений отсутствуют. Для выполнения требований ГОСТ 8.000-2000 в состав государственного эталона мощности обязательно должен входить измеритель мощности с известной зависимостью функции преобразования от уровня измеряемой мощности, воспроизводящий шкалу отношения мощностей СВЧ. С помощью него возможно определять коэффициенты передачи мер отношения мощностей СВЧ. Меры могут использоваться как для расширения динамического диапазона, воспроизводимого эталоном мощности, так и для поверки рабочих средств измерения отношения мощностей. Таким образом, создание иерархической системы передачи шкалы отношения мощностей необходимо, во-первых, для формирования шкалы мощностей СВЧ, а во-вторых, для обеспечения единства измерений самого отношения мощностей СВЧ.

Схему измерения отношения мощностей СВЧ можно представить в виде следующей модели (рис 1). В состав схемы входят измеритель отношения мощностей СВЧ, генератор мощности СВЧ и мера отношения

мощностей, чей коэффициент передачи измеряется Все измерители отношения мощностей СВЧ построены по общей структурной схеме. В их состав входят преобразователи отношения мощностей СВЧ в отношение мощностей НЧ (где НЧ - низкая частота, обычно до 30 МГц, включая постоянное напряжение), осуществляющие эквивалентный перенос отношения мощностей СВЧ на НЧ, а также эталон отношения мощностей НЧ и устройство сравнения. Канал паразитной связи характеризует наличие паразитных связей между генератором мощности и входом измерителя. Результат измерения коэффициента передачи меры отношения мощностей СВЧ также зависит от переотражений мощности между выходом меры и входом измерителя из-за различных волновых сопротивлений.

Уравнение измерений для приведенной модели схемы измерений при двух положениях меры отношения мощностей СВЧ будет иметь вид: Кнч1= х*(Кг+Кп)* Ксвч.нч\ Кнч2= х*(К*Кг+Кп)* Ксеч.нч\

=

К+К у

/у* (1 1\ к

свч-нч\

В уравнении применены следующие обозначения:

х - мощность генератора СВЧ;

К - коэффициент передачи меры отношения мощностей СВЧ во включенном состоянии (без ограничения общности примем, что коэффициент передачи меры отношения мощностей СВЧ в выключенном состоянии равен 1);

Кг - коэффициент, учитывающий зависимость результата измерения коэффициента передачи меры отношения мощностей от параметров согласования измерителя и генератора;

Кп - коэффициент передачи канала паразитной связи;

Ксвч-н*(х) ' коэффициент передачи преобразователя СВЧ - НЧ, зависящий от уровня поступающей на него мощности СВЧ (функция преобразования);

/- номер измерения, соответствующий положению меры

отношения мощностей СВЧ:

Кнн - показание эталона отношения мощностей НЧ; у - измеренное значение коэффициента передачи меры отношения мощностей.

Рисунок 1 - Модель схемы для измерения отношения мощностей СВЧ Уравнение измерений записано в предположении, что мощность генератора х не изменяется в промежуток времени между двумя измерениями. Условия, при которых полученное уравнение принимает вид уравнения для прямых измерений у-К (номинальные значения Кнч в условиях данной измерительной задачи принимаются за действительные), имеют вид:

Ксвч.нч(х)=сопз1, т.е функция преобразования измерителя не зависит от уровня мощности СВЧ;

Кг—>1, т.е результат измерения значения коэффицента передачи меры отношения мощностей не зависит от характеристик измерителя и генератора;

Кп—Ю, т.е отсутствует паразитная связь (пролезание) между генератором и измерителем. При создании верхнего уровня иерархии средств измерений для

обеспечения единства измерения отношения мощностей необходимо таким образом:

создание исходных измерителей отношения мощностей с номинальной функцией преобразования, отвечающей условию Ксвц.нн(х)=сопз(, и определение значений погрешностей, с которыми выполняется это условие;

создание мер отношения мощностей, результат измерения коэффициентов передачи которых не зависит от параметров согласования измерительной схемы, и определение достижимых погрешностей при передаче с помощью них шкалы отношения мощностей от исходных измерителей отношения мощностей к рабочим;

разработка методов определения коэффициента передачи канала пролезания и расчет вклада погрешности из-за пролезания в суммарную погрешность результата измерения.

Во второй главе рассмотрен вопрос о разработке и исследовании исходных измерителей отношения мощностей. Предложено использование в качестве исходных измерителей отношения мощностей термисторных измерителей мощности и метод определения их функции преобразования в микрокалориметре, проведены экспериментальные исследования

нелинейности термисторных преобразователей мощности СВЧ.

В качестве исходного измерителя отношения мощностей СВЧ выбран термисторный измеритель мощности из состава ГЭТ 26-94. Нелинейность терми-сторного преобразователя измерялась в микрокалориметре предложенным в работе "эталонным" методом. Метод применим для любой точки частотного диапазона и позволяет составить уравнение измерений, в отличие от используемого в мировой практике способа оценки нелинейности на основе сличений измерителей отношения мощностей с различными принципами действия преобразователей отношения мощностей СВЧ-НЧ.

Уравнение измерения термисторного преобразователя (т.п.) в общем виде

выражается формулой Рсач = /(А) *[Вт]. где:

Рсвч - мощность СВЧ. поступающая на вход термистора; А - числовое показание индикаторного устройства; / - функция, обратная к функции преобразования т.п.. При рассмотрении схемы включения термистора с позиций теории систем управления, автобалансный мост представляет собой стационарную линейную автоматическую систему (рис.2).

Г= У,

Рисунок 2 - Модель термисторного измерителя мощности как автоматической системы управления

Здесь:

- К=Ак~/1- коэффициент обратной связи в автоматической системе с жесткой обратной связью (А-»1). Отличие К от 1 вызвано

конечным коэффициентом усиления усилителей моста: = 1 + /?, где /? -

К

величина, обратная коэффициенту усиления усилителя в мостовой схеме;

- Рсвч = ^ * Д/?^, Рзам = ^ * АЯ , где у* и у= -чувствительность

К " К

термистора [Ом/Вт] по СВЧ и постоянному току соответственно, АЯ~и А/?= - приращения сопротивления термистора при воздействии на него СВЧ мощности и мощности постоянного тока.

Влияние паразитных электродвижущих сил (э.д с.) на термистор при

подаче СВЧ мощности учитывают коэффициенты-

n=UBgc/Рсвч [В/Вт]. U3dc- напряжение на термисторе. вызванное детекторным и термоэлектрическим эффектом, при подаче мощности СВЧ;

m=AR3t}с/U3gc, AR3ac - эквивалентное приращение сопротивления термистора за счет действия U3dr.

Тогда, уравнение для отношения мощностей примет вид:

1 + Кэ2 +т1

Рсвчi г 1 + /V

Абсолютное значение Кэ определяется в дифференциальном микрокалориметре, в котором является возможным непосредственно измерить зависимость Кэ от уровня мощности и таким образом определить отношение Кэ// К32.

Уравнение измерения для дифференциального микрокалориметра Р

имеет вид: k3 = g* - - ------, где ¿te-приращение напряжения

р +( Де._*д/>^)

зам V . кал завг'

Де

на выходе термопары при подаче на т.п. СВЧ мощности, g - коэффициент, показывающий различие в выходных напряжениях термопары при воздействии на нее равных мощностей постоянного тока и СВЧ. Уравнение записано в предположении, что напряжение на выходе термопары линейно зависит от уровня мощности.

Для построения аппроксимирующей кривой зависимости Кэ термистора от уровня мощности минимально необходимым является получение значений Кэ на двух разных уровнях СВЧ мощности. Подставив формулу для отношения Кэ в уравнение для отношения мощностей СВЧ в термисторном преобразователе, получим:

Р +(■ ■ * АР**7)

ту ту 1 , О ту А зам' ^

"свч\ _ "зам\ * + Р\ * 'зам! *_&екал_ | ,П2 П2 ^ ^

Рсвч2 1 + /?2 8\ р | ( * \р™\ Г. * К*

В уравнении индексы "1" и "2" показывают, что соответствующие величины определяются при уровнях СВЧ мощности Рсдч1 и РСвч2> ПРИ этом результат измерения отношения мощностей СВЧ зависит только от измерения напряжений и сопротивлений на постоянном токе.

Для определения достижимых значений погрешностей при измерении нелинейности термистора были проведены исследования на государственном первичном эталоне мощности СВЧ ГЭТ 26-94. Определялись значения Кэ волноводных одноэлементных термисторных преобразователей 9 и 3 сечения 16x8 мм из состава ГЭТ 26-94. Измерения его проводились на частотах 12 ГГц и 16,6 ГГц. Структурная схема измерений приведена на схеме рис.3.

По полученным результатам эксперимента нелинейность т.п. 9 в диапазоне частот 12 - 16,6 ГГц и диапазоне уровней 2,5 - 25 мВт не

Рвч,

превышает 0,0005 дБ, бюджет погрешностей при определении в

Рсвч!

микрокалориметре для доверительной вероятности 95% приведен в табл.1.

Калориметр из состава ГЭТ 26-94

ЭТГ-03

ЭТГ-09

Переменный аттенюатор

В 7-3 4

Г4-109

Мост

Магазин сопротивлени

Р3003

В7-39

РС

Рисунок 3 - Схема определения зависимости Кэ от Я, 13

Таблица 1- Источники погрешностей при определении

Источник погрешности Оценка, дБ Распределение К Оценка СКО. дБ

Определение Рэам 0,0005 Нормальное 2 0,00025

Коэффициент усиления автобалансного моста 0,0003 Равномерное ^Iз• 0,00017

Диодный и термоэлектрический эффекты Нет Равномерное Чз

Определение Ле 0,0004 Равномерное 2 0,0002

Неэквивалентность микрокалориметра 0,0005 Нормальное 2 0,00025

Случайная погрешность 0,00054

Суммарное среднее квадратическое отклонение (СКО) 0,0007

Суммарная погрешность измерения отношения мощностей с доверительной вероятностью 95% (К=2) 0,0014 дБ

Для проверки правильности полученных результатов и расширения динамического диапазона, в котором определяется нелинейность термистора, было проведено сличение термисторав 3 и 9 в диапазоне от 1 до 20 мВт на компарирующей установке (рис.4). Расхождения полученных значений для двух методов не превышают критерия сходимости результатов, который

имеет вид- £ = епсе , <1_ где Ц1 . случайные погрешности при

^и1)гни2)2

измерениях в микрокалориметре и на компараторе.

о>

см т

<о 01 г

1.009 1.008 1.007 1.006 1.005 1.004 1.003 1.002 4 1.001 1.000 0.999

мощность,мВт

Рисунок 4 - Сравнение результатов, полученных в микрокалориметре и при компарировании

Таким образом, подтверждается правильность результатов определения нелинейности термистора в микрокалориметре предложенным "эталонным" методом с погрешностью не более 0,0015 дБ. При этом на компарирующей установке при использовании исходных термисторных преобразователей с нелинейностью, определенной в микрокалориметре, возможно измерение нелинейности «вторичных» термисторных преобразователей с дополнительной погрешностью не более 0,001 дБ в динамическом диапазоне более 10 дБ.

В третьей главе изложены результаты разработки и исследования методов и средств передачи шкалы отношения мощностей от исходных измерителей к рабочим средствам измерения. Приведены результаты

исследовании меры отношения мощностей СВЧ. разработаны методы оценки погрешностей при передаче шкалы с помощью данной меры рабочим средствам измерения, а также методика определения коэффициента передачи канала пролезания и расчет вклада погрешности из-за пролезания в результат измерения.

Таблица 2 - Погрешность результата измерения ослабления меры от-

ношения мощностей на рабочем эталоне отношения мощностей

Источник погрешности Оценка для ступени 10 дБ, дБ Оценка для ступени 20 дБ, дБ

Систематическая погрешность определения нелинейности «вторичного» термисторного преобразователя ±0,0025 ±0,003

Случайная погрешность рабочего эталона отношения мощностей ±0,0005 ±0,001

Погрешность рассогласования ±0,0005 ±0,0005

Случайная погрешность меры ±0,002 ±0,002

Кратковременная нестабильность меры, нестабильность частоты генератора ±0,0008 ±0,0008

Суммарная погрешность результата измерения (Р=95%) ±0,0034 дБ ±0,004 дБ

Основой материального средства для передачи шкалы отношения мощностей является специально разработанная и исследованная широкополосная мера отношения мощностей на основе ступенчатого речистивного аттенюатора (табл. 2). Мера представляет каскадное соединение аттенюатора с развязыващими вентилями, которые имеют потери в обратном направлении не менее 40 дБ. Таким образом, результат измерения коэффициента передачи меры практически не зави-сет от параметров согласования измерительного тракта. В работе исследовались достижимые значения случайных погрешностей меры, ее долговременная и кратковременная нестабильности, частотная зависимость, эквивалентные коэффициенты отражения меры. Получены следующие основные значения: Л,ал<0.002; 5=0,002 дБ для 10 переключений, у=0,01 дБ/1 год.

Таблица 3 — Расчет погрешности при поверке измерителей отношения мощностей с помощью меры отношений на одно значение

Источник погрешности Оценка, дБ

Погрешность определения действительного значения коэффициента передачи меры, дБ (0,003 "л)

Рассогласование, дБ (0,002* п)

Погрешность из-за дискретности ступени меры, дБ 0,003* \J7Г

Случайная погрешность измерителя, дБ 0,003* \[>Г

Суммарная погрешность [дБ] для количества шагов п= 1 0.0055

.......................л=2 0.0094

-----------------------я=з 0.013

-----------------------„-4 0.0167

-----------------------„-5 0.0203

-----------------------л=6 0.024

В основу методики определения функции преобразования измерителей отношения мощностей в расширенном динамическом диапазоне положена процедура определения градуировочной характеристики (поверки) супергетеродинного измерителя отношения мощностей с помощью ступени 10 дБ меры отношения мощностей, коэффициент передачи которой определен на исходном измерителе, отношения мощностей. Такой способ экономически более выгоден, чем поверка с помощью многозначных мер отношения мощностей. Однако погрешность измерения градуировочной харатеристики будет зависеть от параметров поверяемого измерителя: его случайных погрешностей и разрешающей способности. Для супергетеродинных измерителей типа ДК1-16 градуировочную характеристику возможно определить с погрешностью от 0,005 дБ для диапазона 0-10 дБ до 0,025 дБ для диапазона 0-60 дБ (табл. 3).

и„

и

изм1.2

Рисунок 5 - Модель канала пролезания

В основу методики учета влияния пролезания на результат измерения отношения мощностей положена модель канала пролезания, учитывающая комплексный характер его коэффициента передачи (рис.5). На основании модели предложена процедура выявления и исключения из результата измерений погрешности из-за пролезания. При этом за

действительное значение ослабления принимается и'(К), определяемое по

формуле:

w{fC) =•

1 + ) * Коп ~ ) " К

(3).

где w(Кизи!) и w(Кизм2) ~ результаты измерения для первого (без дополнительного аттенюатора) и второго (с дополнительным

аттенюатором) состояния схемы, КДОП ~ известный комплексный

коэффициент передачи дополнительного аттенюатора. При использовании в качестве дополнительного аттенюатора отрезка коаксиальной линии, обеспечивающего на частоте измерения сдвиг фаз около 180° , или аттенюатора с ослаблением не более 5 дБ, неисключенная составляющая погрешности из-за пролезания при измерениях с помощью векторного измерителя отношения мощностей не превышает 20% от суммарной

погрешности измерителя отношения мощностей.

Предложенные методы и средства измерения позволяют передавать шкалу отношения мощностей СВЧ от исходного измерителя отношения мощностей к рабочим средствам измерений в динамическом диапазоне до 100 дБ с погрешностью от 0,005 дБ на 10 дБ.

В четвертой главе изложен проект построения поверочной схемы средств измерений отношений мощностей и состав рабочего эталона отношения мощностей ФГУ "Ростест-Москва", представленного к утверждению в качестве ВЭТ 26-4-03 в установленном порядке. На основании теоретических и экспериментальных данных приведены методы передачи, расчет погрешностей при передаче шкалы отношения мощностей на любой уровень схемы, требуемые вспомогательные и эталонные средства измерений.

Эталон отношения мощностей имеет следующую структуру:

измеритель отношения мощностей, работающий по методу отношения мощностей, основным элементом которого является термисторный преобразователь. Функция преобразования т.п. определяется методом компарирования с эталонным т п. из состава ГЭТ 26-94,

- мера отношения мощностей на основе ступенчатого аттенюатора с минимальными случайными погрешностями для передачи шкалы отношения мощностей от эталонного измерителя отношения мощностей другим измерителям;

супергетеродинный измеритель отношения мощностей для расширения динамического диапазона эталона, работающий по методу замещения на СВЧ в комплекте с мерой отношения мощностей;

- вспомогательные устройства, в том числе генераторы сигналов и согласующие устройства.

Для эталона в рабочем диапазоне частот 0,1-18 ГГц были определены следующие метрологические характеристики:

- среднее квадратическое отклонение термисторных измерителей мощности S<0,001 дБ при 10 измерениях, неисключенная систематическая

I i

погрешность в < 0,0025 дБ/10дБ без учета погрешности рассогласования, нестабильность за год < 0,0005 дБ;

- среднее квадратическое отклонение супергетеродинных измерителей отношения мощностей 5<0,003дБ при 10 измерениях, неисключенная систематическая погрешность д < 0,007дБ/20дБ без учета погрешности рассогласования;

- предел допускаемых значений доверительных границ погрешности результата измерения ослабления меры отношения мощностей

81 <(0,0015дБ+0,002дБ/ЮдБ).

Вторичный эталон может быть положен в основу иерархической системы передачи шкалы. Соподчинение средств измерений в данной системе определяется разработанной поверочной схемой. Поверочная схема распространяется на средства измерения отношения мощностей, работающие в диапазоне частот 0,1-18 ГГц в любом стандартизованном коаксиальном или волноводном тракте. В поверочной схеме для передачи шкалы отношения мощностей от эталонов рабочим средствам измерений использован метод прямых измерений. В настоящее время в эксплуатации отсутствуют средства измерения отношения мощностей с метрологическими характеристиками, обеспечивающими наличие на каждом уровне иерархии и меры, и измерителя. Поэтому, при необходимости передача шкалы происходит через уровень (рис.6).

Поверочная схема и вторичный эталон позволяют обеспечить единство измерений отношений мощностей СВЧ. В случае отсутствия исходных средств измерения отношения мощностей с характеристиками, пригодными для проведения поверки методом прямых измерений нижестоящих средств измерений, контроль за единством измерений на 4

уровне рабочих эталонов 1-ого разряда можно обеспечить проведением ,

сличений. Методика выполнения сличений рабочих эталонов отношения '

мощностей 1-ого разряда на переходный период до момента утверждения ВЭТ 26-4-03 предложена в работе.

Выводы

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.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 Корнеев С.А., Пивак A.B.. Чуйко В.Г. Обеспечение единства измерений ослаблений на СВЧ на основе круговых сличений гетеродинных установок//Измерительная техника-2002-10-с.42.

2 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.

3 Пивак A.B. Оценка погрешности результата измерения при поверке измерителей отношения мощностей СВЧ методом прямых измерений//Измерительная техника- 2003-2-С.40.

4 Пивак A.B. Уменьшение погрешности рассогласования при поверке поляризационных аттенюаторов//Главный метролог-2003-№1-с.15.

5 Пивак A.B., Чуйко В.Г. Методика оценивания погрешности из-за пролезания при измерении больших ослаблений (тезисы доклада)//«Метрология в электронике - 2000», г. Харьков - 10-12 октября 2000 - том 1- с. 160.

\

!

Рисунок 6 - Локальная поверочная схема для средств измерений отношения мощностей в диапазоне частот 0,1-н18.00 ГГц ФГУ "Ростест-Москва"

ГЭТ 26-94 (ГП ВНИИФТРИ)

2

( óe^^ 1 б 2 8 а

/

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

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".

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.

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".