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 ЭМКб) 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 17 025−2000) 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.