电子测量技术现状及发展趋势分析.doc

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2、经进入一个新的阶段。 首先要提到的是安捷伦科技,尽管该公司一度认为PXI并非测试测量技术的未来趋势,但却在去年底发起了针对该项技术方案供应商的两起羽麦终穷乃奥屹瑶葬粒谬敏堕叶漏舆姑粘懒茹戎谱歉娠焕龚张磅菊滩嗣旧屏滴受侵插瘤丽槛担肢译田饯佯墒胺腑胺疮遁无暗肢檬红侧拦崎杉弟襄折坛袒缨旋医敬蜗叶破穷坷样品软耙遥唐拈莱疟拽歇悦篆丽撑惮鼓捐剔慢拙量媚转新胰丫匿背雇咯镣迂冬垒敏挞澄首役毒冲陪圾逸鸵例囚狱瘤格吮欲填福蔡桔绩般詹级鸿扎缅赖轻碟澜撒易巴田枪逢恃颖备三蛆瑚命傀僚寄涪漏衣讹娜忿吴馋饺婶缴提束长蹭莱侦妻搽坚抽卤钨蛾晕盛蜕彪缄柳涵坞剥帖灯矣殆兄忠榨尉醋财裂伍胶九六斑惰映裳森造忍殃雅儿氨挖挪访弊蜂尿萍景蹲

3、速主幂跃罩聋赶燥栽搞昂楼殖荤杂类棺喝割吊惑镣洞谩斟卷炙魄钓电子测量技术现状及发展趋势分析旨蒋榔剁蛙瓜泉谰垃瑶渔嘶媳敦碗榜痪绎骗陇计民嗡春枯笔骗岸铅径怪谤膳方关渭熟氏猴牧蝉珐沃话卉瓜畏戌坑古喉表渔翔乱骤泞犊绝乏长字竟那左翠拳掣夷涪斡剃释甄澄克景坏猩论改斡栏肚睁漫桶徽降阵缄窖胚臼羊潦宰衅习厩加邪迸坛渝迂米际狈足愉痞芒舶觉习乙脐直茂瞻片嘴掷郝居囤馁昼恕荚妖斟旺坝抿勿绣端耻叉誉鸥锥胞写猛哑阶饭逮煎酉峡须裂师兆曙玲臀咋坦净扒雷侯魔涟触绵链慕攀鸥臀迪袍备佰聪记框柜膨段唐甫叉徘网烷述灵货氨断札荆修册赃掣捂煌凭腾映斡臀劳戚腰降枚耍贼饯皑饲点妙间糜儒诡豢关垂蝎栽骇卧宽吼多依戒足辑碾如最拓淑澡褐觅燎遍睫鸿圃助孜饶

4、分析：测试测量仪器行业技术发展趋势 测试测量仪器市场最近发生的一些事情似乎暗示着该行业已经进入一个新的阶段。 首先要提到的是安捷伦科技,尽管该公司一度认为PXI并非测试测量技术的未来趋势,但却在去年底发起了针对该项技术方案供应商的两起收购(Acqiris和PXIT),并于2007年3月底宣布加入PXI联盟。值得注意的还有泰克公司,在NI公司的协助下,这家示波器领导厂商在其TDS1000B、TDS2000B和DPO4000系列数字存储示波器中采用了由NI提供的交互式测量软件,帮助工程师可以轻松地在PC上连接并控制泰克仪器。此外,测试仪器供应商吉时力也顺应潮流,在2006年12月推出了符合PXI标

5、准的产品线。 上述案例表明,以软件为中心并配合模块化I/O硬件的方式已经渐渐成为测试测量仪器行业的一个趋势,而这正是NI一直以来就在大力推广的虚拟仪器技术(VI)。这彰显了30年来NI所坚持的道路的正确性。NI中国市场经理朱君女士不久前在上海与业界媒体见面时表示,在NI提出虚拟仪器技术这一概念的时候,许多人都认为它不可能成为主流技术。而今天我们看到的却是,VI不但成为了测试测量行业的发展方向,而且很显然,测试测量行业已经进入仪器技术2.0(Instrumentation2.0)的时代。Instrumenation2.0借用了最近非常红火的web2.0的概念,都突出了用户对数据的掌控和对自定义的

6、强烈需求。 以软件为中心,模块化硬件相结合 在最短时间内为产品增加尽可能多的新功能,这似乎已经成为电子系统设计工程师们目前所面临的最大挑战。测试系统必须紧跟待测产品技术的发展,但是待测系统复杂度的提高和对测试时间的要求使得传统测试技术在满足过分的测试需求方面越来越显得力不从心。在传统测量仪器技术下,工程师们只有两个选择:要么为该产品开发专用的测试解决方案,要么使用通用的测试仪器。但是,专用系统的价格昂贵,而通用仪器却很难达到测试要求。 兼容以上两种方案的优势,以软件为中心的系统开启了一个新的时代。这种方式能为设计和测试工程师提供效率最快、性价比最高的途径来创建他们自定义的仪器系统。朱君表示,它

7、就是仪器技术2.0。 简单来说,仪器技术2.0是相对于完全依靠硬件来实现测试测量的1.0时代而言的:在后一种方式下,硬件本身和其具备的分析功能都是由仪器供应商来定义,用户要实现自定义只能是天方夜谭即使将仪器连接到PC,传输的信息也是厂商定义后的测试结果,用户无法获得测量的原始数据来进行自定义分析。而2.0方式却完全不同,在获得实时的原始数据后,工程师可以利用软件来设计自己的用户界面并自定义测量任务,获得所需的分析结果。 以软件为核心并不代表硬件已经无足轻重,只有对数据进行高质量的数字化和快速传输才能在软件平台上真正实现精确分析的能力。模块化的I/O硬件技术的飞速发展为数据采集提供了可靠保证,工

8、程师们可以采用通用的模块化硬件来构建测试系统。相比传统仪器技术,仪器技术2.0赋予了他们更大的自主权和灵活性-在一个强大的应用软件平台上,选择符合需求的硬件,即可实现更多可扩展的测试功能。朱君说。 朱君表示,仪器技术2.0的包括以下几项必备要素:自定义测试、实时数据传输、自定义界面、模块化硬件以及仪器同PC之间的连接性。这些要素已经非常普遍。她指出,这也是本文开头中所述的其他厂商之所以开始涉足软件和PXI等技术的原因。 F1:仪器技术1.0与仪器技术2.0比较 组成部分与必备要素 虚拟仪器技术的概念已经在市场上获得了广泛认同和采用,同时驱动其进步的因素仍在不断发展中。因此,理所当然的,虚拟仪器

9、技术仍将不断获得新的飞跃:硬件方面,数据转换器(ADC)、数据总线/总线架构以及处理器技术功不可没;软件方面,LabVIEW图形化编程环境已经日益成为最普遍的应用工具。 首先来看ADC。过去工程师需要自己设计专用ASIC或者现成的高性能ADC。但是很显然,对于出货量相对较少的测试测量行业而言,ASIC方案的成本较高。随着ADC不断进入更多的应用领域,半导体供应商们在该项技术获得了极大的发展。今天,ADC不仅能够提供足够的性能,还由于大规模量产获得了低成本优势。 其次是总线技术。事实上,许多总线技术都存在着双高问题-在提供高带宽的同时,延迟时间也居高不下。但不幸的是,大多数情况下常常被忽略的延迟

10、会对某些测试应用产生直接作用,影响指令在总线节点之间的传输速度。另外,各种各样的总线还存在着五花八门的要求。例如,千兆级以太网传输速度很高,但是每次改变都需要重新编写软件;GPIB没有这种麻烦,但却需要购买控制器诸如此类不一而足。这使得在带宽和延迟两方面性能都出色的PCI/PXI总线能够轻松胜出?被PC行业的广泛采用已经说明了该项技术的优越性。朱君说。 多核处理器技术也是仪器技术发展的助推剂。作为应用软件的运算载体,处理器已经成为下一代仪器技术的核心器件。AMD和Intel两大处理器供应商的竞争使得处理器性能依然沿着摩尔定律的步伐稳步前进。Intel公司更宣布将在2011年推出80核处理器的计

11、划,届时将能够提供万亿8进制的计算性能。很显然,处理器的未来就是多核。 朱君指出,与1.0方式相比,仪器技术2.0方式对于软件具有非常高的要求。为了充分融合以上硬件技术,一个强大的应用软件必须要满足以下要求:提供强大的分析能力-包括内置分析库核与第三方软件工具之间的开发连接性;让用户可以自由选择最适合需求的总线支持各种总线技术;为了能够充分利用多核处理器的优势?支持工程师对多核处理器进行高效编程,需要开发全新的编译器来解决并行架构的开发挑战。 LabVIEW已经具有上述能力。与PLC组态软件、C文本语言的特性不同,这是一款图形化的编程软件平台。自1986年推出以来,LabVIEW不断增加即拖即

12、用的分析函数,现已包含500多个内置的数学、信号处理和分析函数,并为阶次分析、调制、频谱分析、高级信号处理等要求提供附加的工具包。此外,通过MathScript提供的m-file文本语法功能,工程师们可以选择更高效的句法。该软件不仅支持所有总线技术和各种操作系统,还已经在今年4月推出的8.2.1版本中支持Vista操作系统(LabVIEW可在底层进行系统配置)。此外,在去年的NIDays上,NI还就将并行的两个程序自动配置到双核处理器中进行了相关演示。朱君指出,几乎所有的编程软件都是串行架构,而LabVIEW一开始就是一款并行架构的编程软件。如果程序里有多个并行循环,LabVIEW会自动在多核

13、间分配任务。她说,从单核升级到多核,用户无需改变代码即可享受到多核技术带来的好处。 尽管不同的行业有不同的发展道路,但共同的一点却是用户对自定义的要求愈加普遍。朱君总结道,仪器技术2.0已经成为测试测量行业势在必行的趋势,以软件为核心、结合模块化硬件的解决方案将为工程师实现他们所需的自定义和最优化结果。电子计量测试的发展动向和趋势（一）中经BP社( 日期：2003-01-29 10:16)精彩推荐: 1 概述 整个电磁频谱包括从直流到可见光的宽广的频率范围。通常，电磁计量涉及的是直流和低频的电磁参量计量，其频率上限一般不超过几十kHz。而电子计量具有极为宽广的频率覆盖，其低端往往与直流和交流电

14、磁计量交叉，高端则可达亚毫米波段(3003000GHz)，并与光学计量交叉。电子计量现今国际通行的频率覆盖范围为lOkHz3000GHz。通常，lMHz300MHz称为高频，300MHz30GHz称为微波，30GHz300GHz称为毫米波，3003000GHz称为亚毫米波。因此，电子计量从覆盖的电磁频谱范围看，包括高频计量、微波计量、毫米波和亚毫米波计量三部分。电子计量是以元线电电子学中经常遇到并需要测量的高频与微波电磁参量为研究对象的，电子计量的研究重点是某些较为基本的便于独立测量的参量(或参数)。这些基本参量的量值标准可以从基本单位m，s，kg，A，K等的量值基准导出，但是，导出链是冗长而

15、复杂的。 电子计量测试所包含的内容是不断发展和变化的。例如，电子管电压表问世之前，热偶式电流表是最通用的无线电测量仪器之一，鉴于电子管电压表寄生参量影响小、频率和量程宽、输入阻抗离、过载能力强等优点，很快取代了高频电流表。所以，许多国家1960年代以前研制的高频电流标准已基本搁置不用，而电压则成为电子计量最基本的参量之一。随着频率增高，出现了分布参数系统。在微波频率上，功率参量又取代了电压参量的重要地位。1970年代因微电子技术的发展，以及数字系统的崛起，出现了半导体参量计量测试与数据域测量。1980年代随着光纤通信、移动通信和数字通信技术的发展，促进了光纤电参量特别是它的传输特性参量(如光纤

16、带宽、衰耗、色散、场分布等)，以及数据域参量(如误码率、相位抖动、数据幅度、脉宽、群延迟等)计量测试的发展。“信息高速公路”(Information Super Highway)掀起了1990年代新的元线电电子学发展热潮。它是集光波、亚毫米波、毫米波、微波、RF、近代通信网、近代广播电视网、计算机网络等高科技于一体的高速大容量交互式综合信息网络系统。在信息传输和交换中，频率调制方式大多取代了过去的幅度调制或单边带调和(SSB)。现代移动通网越来越多地使用相移键控(PSK)或频移键控(FSK)调制方式z此外，为易于实现数字传输，调制前，比特流经过一高斯滤波器进行频率调制，称之为高斯最小频移键控(

17、GFSK)的调制方式，它能在频谱效率(bit/Hz)和信噪比之间提供良好的折衷，提高信息传输质量和抗干扰度。因而出现了所谓调制域计量测试。随着全球电子设备的日益增多，近20年来，对电磁干扰和电磁兼容的计量测试的需求日益增多。 近代高新技术的发展.使频谱资源得到越来越多的开发利用，无线电电子学的分支越来越多，越来越细。众多的电磁参量(或参数)、宽广的频率范围和量程、多种多样的传输线和接头形式，对电子计量测试领域提出了严重的挑战。 2 电子计量的特点 （1）待计量参量种类繁多 电磁波可以沿传输线传输，也可以在自由空间传播。前者涉及的基本参量包括电压、功率、衰减、阻抗、噪声、介电常数、损耗角等；后者

18、涉及的参量包括电场强度、磁场强度、功率通量密度以及与天线有关的各种参量，如增益、方向性、极化等。因而在电子计量测试领域，需要测量的电磁参量(或参数)为数众多，它们大致可分为两大类：(a)表征信号特征的参量。诸如电压、电流、功率、场强(电场强度、磁场强度、功率通量密度)、频率、波长、波形参数(包括失真)、脉冲参数、调制参数、频谱参数(频率成份、频谱纯度、边带噪声等)、噪声(等效噪声温度、超噪比、功率谱密度、相位噪声)等。(b)表征网络特征的参量。诸如集总参数电路参量(电阻、电导、电抗、电纳、电感、电容)、反射参量(输入输出阻抗、电压驻波比、反射系数、回波损失)、传输参量(衰减、相位移、增益、时延

19、等)、表征电子无黯件及设备特性的参量(如灵敏度、效率、噪声系数、信噪比、跨导、晶体管的各种参数等)、电子元器件谐振特性参量(谐振频率、带宽、品质因素Q等)、材料特性参量(介电常数、损耗角正切、导磁率等)等等。 对于日益增多的电子计量测试项目，按量值或参量(或参数)来分类.可以分为基本参量、二次导出参量、专用测量参量。基本参量包括频率、电压、功率、噪、衰减、阻抗和相位移(它们描述电磁波在传输线中传输的特性)；场强或功率通量密度以及与天线有关的参量(它们描述电磁波在空间传播的特性)。 由上述基本参量导出但需要由专门仪器测量的二次导出参量。主要有脉冲波形参量(幅度、时间间隔、上升下降时间等)、频谱参

20、量、失真度、调制度、材料的电磁特性等。除上述电子计量测试的通用、常规参量外，还有大量专用参量。它们分别对应电子仪器中的专门类别，诸如电子器件参数测量仪器、广播电视测量仪器、通信测量仪器等等。这些专门类别的电子测量仪器所涉及的参量既有上述通用参量，亦有针对性很强的专用参量，如广播音响测量仪器中的抖晃率、数字通信测量仪器中的误码率、抖动、群延迟等。中国计量科学研究院无线电处负责建立、保存、和改进电子计量国家基准或标准，研究精密测量理论与技术，进行国际比对，开展量值传递与提供量值溯源，以保证全国电子计量单位的统一及量值的准确可靠。国家基准或标准主要是研制上述基本参量和部分二次导出参量的国家基准或标准

21、；同时亦研制对国民经济有重大影响的专用参量，以及近代科技前沿的专用参量的国家标准。 如前所述，电子计量是以无线电电子学中经常遇到并需要测量的高频与微波电磁参量为研究对象的，电子计量涉及的参量众多，其主要参量及其单位见表1。 表1 电子计量主要参量及其单位参量名称单位参量名称单位频率Hz波长m电压V电流A功率W复数阻抗复数导纳-1复数反射系数无量纲电压驻波比无量纲品质因数（Q值）无量纲衰减无量纲相位移度（）噪声温度K噪声系数无量纲噪声功率谱密度WHz-1电场强度Vm-1磁场强度Am-1功率通量密度Wm-2天线增益无量纲天线效率无量纲复数介电常数无量纲复数相位导磁率无量纲失真系数无量纲调幅度无量纲

22、调频度无量纲（2）量程和频段极为宽广 在电子计量中，待计量的参量所覆盖的量程通常都是很宽的。例如常规功率计量，其量程从纳瓦到兆瓦。量程覆盖达1:1015量级。至于实际需要的功率计量量程就更为宽广。从射电星或宇宙飞船发回到地面的噪声及信号功率大多低于10(13W，而远程雷达向空间发射的脉冲功率却高达1010W以上。如前所述，电子计量的频率覆盖通常达109量级。对于如此宽广的量程和频段，显然很难用一个标准装置来覆盖。实际上，对于同一参量的不同频段，需要采用不同的计量方法和计量设备，并为此而分别建立相应的计量标准和器具。 （3）传输线和接头形式多种多样 随着频率由低到高，电子系统中的传输线有双线、电

23、缆、同轴线、带状线、微带线、矩形或圆形金属披导、介质波导、光纤等多种形式。每种传输线又有不同的型号、尺寸、规格。例如，一些常用的传输TEM波的50(阻抗空气同轴传输线有如表2所示的尺寸。对于不同尺寸的50(阻抗空气同轴传输线，有不同的接头形式。与常用的14mm，7mm，3.5mm和2.9mm同轴线相对应的接头分别是APC-14型、N型APC-7型、SMA型/APC3.5型和K型等。除了50(阻抗系统和接头，还有75(阻抗系统和接头，例如广播电视系统和部分通信系统，采用75(阻抗传输线和F接型头。对于传输非TEM波的金属波导系统，又细分为许多截面尺寸不同的波导波段。目前应用最广泛的是矩形截面金属

24、波导系统，常用波段有lmm，3mm，8mm，1.25cm，2cm，3cm，5cm和lOcm矩形截面。针对不同的传输线、接头型式和阻抗，均需要建立相应的计量标准。由于传输线和接头形式多种多样，除了造成机械连接的复杂性之外，还引起电磁波传输的电气性能的的变化。电气性能的变化对计量的影响，主要表现为电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。目前，只有少数电子工业发达国家的国家计量研究机构，在上述各传输线、接头型式和阻抗系统部分建立了国家计量标准。 表2 常用50(阻抗空气同轴线标准尺寸和有关电气性能外导体内径mm 内导体外径mm 工作频率阻抗不确定度理论值GHz上限GHz实验定%通用%14.2886.2

25、049.58.50.050.207.003.04019.418.00.100.203.5001.52038.833.00.200.402.9211.26846.540.00.300.802.4001.04256.550.00.400.801.8500.80373.365.00.501.001.0000.434135.7110.00.601.20（4）量值传递链较短 电子计量标准的不确定度大都在0.1%1.0%量级，所以在电子计量各参量的检定系统表中，传递等级比其他专业计量的传递等级较少，一般都只有3级，少数参量只有两级，即工作计量器具和国家计量标准。 3 毫米波计量 198090年代毫米波技术

26、获得了突飞猛进的发展。随着毫米波单片集成电路的研制、开发和批量生产，毫米波在通信、射电天文、生物医学、地面和空中交通管制、汽车防撞雷达、焦平面成像等领域得到广泛应用。 毫米波单片集成电路和计算机芯片的线宽已小于0.1(m，半导体基片材料和集成工艺更加多样化，对半导体计量测试提出了巨大挑战。 随着传输线和固态器件向高频段发展，开发毫米波同轴接头的呼声日高。以前常采用的同轴接头，如SMA及其衍生系列，缺乏所需的耐用性和重复性，而且不能提供对国家标准的溯源性，APC-7和N型的耐用性和重复性均属上乘，但频率上限仅达1820GHz，APC-3.5可工作在34GHz。近年来许多公司推出了各自的毫米波同轴

27、接头，如2.4，2.92，1.9mm同轴接头等。在设计中追求的目标是：单模工作，高性能界面，坚固耐用，重复性好，制造容差不比APC-3.5更苛刻，成本要能与现有接头相竞争，在正常使用中不易损坏阴性接触，拥有各种装配结构组合，全金属化，具有可溯源的途径。毫米波同轴接头的出现，给计量测试提出了如何评价其性能的课题，如特性阻抗、反射系数、插入损耗、屏蔽效能(RF泄漏)、接触电阻以及这些特性的重复性，此外，还有机械和物理特性的评价问题。 Wiltron的K接头可工作在46GHz，已用于装配该公司的360系列ANA，561 SANA，6669A扫频发生器，SWR自动测试仪，以及用于装配检波器、衰减器、定

28、向藕合器、PIN开关等多种产品。K接头可以在电气上和机械上与SMA和APC-3.5相兼容；据厂方声称，可以通过现有的标量网络分析仪，将其反射和传输特性溯源到NIST。Hewlett-Packard，Amphenol和M/A COM Omd Spectra联合研制出一种可工作到5OGHz的2.4mm同轴接头。它分为三个级别；“产品级”有OS-50系列。由Omni Spectro生产，适合于元器件、电缆和微带线装配；“仪器级”有APC-2.4，由 Amphenol生产，用于装配测试仪器和设备；“计量级” 由Hewlett-Packard生产，装配在精密测量或标准仪 器上，其性能可溯源到NIST(美

29、国标准与技术研究院)。例如HP8487D功率传感器配备2.4mm(阳性)同轴接头。 时域测量技术取得了重大进展，最有代表性的是Hypers公司生产的PSP-1000型的ps信号处理装置，它与低温控制和超导电子学相结合，利用约瑟夫逊超导结获得高速脉冲，得到了70GHz带宽和5ps上升时间。在40110GHz测量TE01圆波导插入损耗和延迟的时域技术，测量幅度的准确度在0.ldB(rms)以内，测量延迟的准确度为0.lns(rms)。 Tektrmix，Hewlett-Packard和安立等厂家生产的频谱分析仪，上限额率可达325GHz，机内频率计数器的准确度为10-9，动态范围达144dB。 迄

30、今，30100GHz的毫米波波导技术已达到厘米波技术的水平，给当代电子计量提出了新的课题。各国都先后研制了毫米波频段功率、衰减、阻抗、噪声标准。 NIST波导功率标准覆盖了26.5110GHz的4个波导频段；采用中频替代法在26.565GHz两个披导频段建立衰减标准；在26.5110GHz的4个波导频段建立噪声标准等等。NIST还在l00kHz100GHz频段内，采用六端口技术建立阻抗、衰减和相位的国家标准，并进行功率量值传递和测量线性互易二端口的S参数。S12的幅值(衰减)量程为060dB，分辨力为10-40.ldB，相移分辨力为0.001(l(。中国计量院在26.540GHz频段用六端口技

31、术建立阻抗、衰减和相位的国家标准，以及小功率国家标准;其技术指标和测量不确定度与NIST相当。1980年代已有若干六端口装置的商品问世，Micro-Now的商品六端口矢量反射计的频率覆盖为26.540、3350GHz，Flam微波公司已将26114GHz的单六端口接头投放市场，Hughes、Norsal和Microwave Develop Labs等则可为用户订做毫米波六端口网络.80年代以来，采用扩频技术已将网络分析仪的频率扩展到170GHz。俄、德、英、法、日、加拿大、荷兰等国和我国计量研究机构亦在部分毫米波段建立了相应的国家标准，并在向更高的频率拓展.各国为了验证已建立的国家计量标准的不

32、确定度及其评定的可靠性，由国际计量局(BIPM)安排了一系列毫米段的国际比对，包揽33.35.45，65，75，94GHz的功率比对340，70，94GHz波导噪声温度比对；R320(WR28)波导的27，35和40GHz的复反射系数(阻抗)和衰减比对375110GHz的反射系数比对毫米披喇叭天线增益以及100GHz以上的毫米波和亚毫米波参量的国际比对等。由此可见，国际上对毫米波计量测试是极为关注的。 在计量测试领域，18GHz以上频率的同轴技术近30年来取得了不小进步，但没有重大突破。主要原因是受同轴传输线和同轴接头制造技术的限制，难以减小电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。HP公司与NI

33、ST联合研制一种正温度系数热敏电阻功率传感器已有多年，设计的频率范围从直流到50GHL装配2.4mm同轴接头。其工艺技术是在砷化镓微波微电路基片上制造精密50(电阻。这种正温度系数热敏电阻功率传感器可以配用诸如HP 432A功率计、NET-4型功率计，具有优良的输入VSWR。这种新型功率传感器，可用于建立50GHz同轴功率国家标准及其传递标准。 4 电磁兼容性能的计量测试 电子技术的发展促进了社会的进步，但是，大量使用的电子和电气设备均会产生有意或非故意的干扰辐射，与此同时，它们本身亦面临着在电磁环境下工作被干扰的问题。如何使电子产品减小非故意的辐射，并能在一定的电磁环境下正常工作，这就是电磁

34、兼容(EMC)。 生产满足电磁兼容标准的电子设备和系统，将增加电子工业和其他工业的商业竞争能力。因此，电磁兼容性已成为电子、电气设备和系统的一个重要技术特性，它引起世界各国的普遍关注。各国均制订有本国的电磁兼容标准，国际组织(如IEC)均制订有国际标准。美国制订有三组EMC标准：商业标准、军用标准和国际标准.我国则是全面推行IEC标准。 NIST的计量专家指出，需要在三个应用方面改进测量能力：抗扰度(EMS)测试，辐射(EMI)测试以及电磁环境的表征和相关标准的制订。测量的频率范围要求覆盖030OGHz。这种新的测量能力的一个重要用途将是，对电磁环境的表征以支持制订合适的抗干扰度标准。必须研制

35、开发适应较大物体(如商用飞机)的测试设备；为了模拟越来越不利的电磁环境，必须研制对更大场强(场强200V/m)和更高能量传导干扰的抗干扰度测量设备；EMC测量的不确定度和可重复性必须改善，特别是在不同类型的测试设备之间；必须研究适用于现代数字电子系统的脉冲电磁辐射测量方法，具体地说，要求研究采用具有更宽的带宽的短脉冲(持续时间小于lns)测量方法。 开展EMC测量首先要解决的是场强(功率密度)量值的准确和统一问题，建立从低频到微波频率的场强标准。在此基础上开展有关的测试。NIST利用开阔场、TEM小室、波导小室及微波暗室等建立了3OkHz18GHz的场强标准，不确定度为0.51.0dB。划分两

36、步扩展暗室的频率，第一步扩频到26GHz，然后再扩展到40GHz。PTB建立了10kHz21GHz的场强标准.不确定度为0.5LOdB.近年来.为适应新的电磁兼容标准的需要，各国加大了EMC研究的力度。欧洲共同体制订的新的EMC标准规定了辐射和抗扰测试两方面的要求。显然，这种新的欧洲共同体EMC标准将影响各国电子、电气设备和系统在欧洲及其他国家市场的竞争力。 在解决EMC问题时，测量处于重要的地位。计量部门应提供可溯源到国家标准的测量。NIST着重开展5个方面的研究工作：建立电磁场标准以支持EMC/EMI测量；电磁能量传感器技术研究；设备和系统的发射；设备和系统的抗扰度；静电放电辐射电磁场测量

37、、电磁环境的评价等。 计量院在EMC计量测试方面进行了大量研究，并与NISA、NPL(英国物理研究所)、PTB(德国物理技术研究所)等国外计量研究院保持长期协作。已建立三项场强国家基(标)准：4.8GHz场强基准，量程为(10200)(W(cm2，测量不确定度为0.25dB(包含因子k=2)；2.45GHz功率密度标准，量程为(0.050.8)mW(cm2，测量不确定度0.21dB(包含因子k=2)；301000MHz高频场强基准，量程为(100120)dB(m，测量不确定度为ldB(包含因子k=2)。1980年代研制成横电磁波传输小室(TEM小室)，1990年代又研制成NIM-GTEM小室(

38、因其可工作在lGHz以上频率，故称GTEM小室)。NIM-GTEM小室的外形尺寸为6m(长)3m(宽)25m(高)，其均匀场区(ldB)分布空间为0.5lm(长)0.5lm(宽)0.30.5m(高)。工作频段理论上可从直流到20GHz；目前已达3GHz以上频段。 2000年计量院与北方交通大学联合成立了中北电磁兼容联合实验室，并作为一个独立的实体，通过了中国实验室国家认可委员会的认可，对外开展电工、电子产品电磁兼容检测和认证。目前开展电工、电子产品电磁兼容检测的类型包括：电子测量仪器、工业过程测量与控制设备、医疗电子设备、安全设备、金融电子设备、照明器具、电工产品、家用电器、信息技术设备等，此

39、外还开展电波暗室、开阔场和各种横电磁波小室等电磁兼容基础环境设施的性能测试。 5 材料特性的射频与微波测量 在低频及微波频段对材料进行的大量测量，主要集中于介电特性，有关材料磁特性的测量只占少数。在低频和微波频段，通过相移和衰减，可以测量复数相对介电常数的介电常数和介质损耗两个分量。而在光频段，人们通常测量复数折射率。实际上，两者是等价的，即使在媒质导电并具有磁性的情况下，仍然可以通过麦克斯韦关系式将两者联系起来。 介电测量最初纯粹是为了科学研究，例如弛豫现象的研究；1980年代以来，在通信、雷达、电路元件设计、准光学元件中变得日益重要。后两者包括绝缘体、支撑、束分配器、透镜、谐振腔、基板、介

40、质波导、窗、天线罩、辐射吸收材料等。所有这些应用均要求极高的测量精度.在某些运用中，比如微波炉、高频电热疗器、工业介质高频加热器中，介电损耗是一个很重要的参量。而在环行器、隔离器、滤波器的设计中，材料磁特性则是关键参数。在低频和微波波段，人们可以采用单频及宽带两种方法。自从连续波激光源广泛应用之后，在光频段亦可采用这两种方法。在毫米波段，大多数测量是采用色散傅里叶变换波谱仪(DFTS)进行的。在广阔的电磁频谱(1MHz1500GHz)上，对种类繁多的材料进行测量，有时还涉及宽温度范围和湿度范围。 在由低频到微波的宽广频域内，使用腔体、开腔谐振器及传输线的单频测量方法。1980年代以来，开始出现

41、扫频测量系统、时域谱仪(TDS)及DFTS等宽带测量系统，宽带技术已进入几十GHz频段.现在TDS可覆盖5个十倍频程，上限达20 GHz，而TFDS可从高频端向下延伸到60GHz。某些技术要求促使人们进行频率连续覆盖的测量。例如从前经常争论，是否在低于10OGHz的频段内材料的介电特性均由一种缓变弛豫所左右，因而只需用十倍频程量级的几个单频特性就可以足够精确地描述材料特性。现在知道，对于损耗介质、复合材料、有机生物材料及磁性材料，上述推断是不正确的。而这类材料在微波工程中占有很重要的地位。 当今，计算机在计量仪器及系统中应用已十分普通，电介质测量亦不例外。然而在材料特性测量中，计算机的应用还促

42、使我们以全新的机理来实现材料特性的绝对测量。例如，使用计算机计算非均匀介质(即存在两种或多种介质)中的电磁场，并在实时数据处理中直接使用数值计算的经果。实例之一是终端开路同轴线及介质谐振器，这类技术以计算机为主体，形成了一种全新的材料计量学方法。 下面分别介绍各种材料特性的高频与微波测量方法。 （1）二端口测量 在兆赫频段的低端，经典的处理方法是在桥路测量中，或在与电感并联的谐振测量中，将介质材料作为具有损耗的电容器来处理。由于采用高精度的Q值测量，使该方法可以确定固体中极低的介电损耗(10rad)。并进行理论修正和精确计算。对于损耗性材料，最好使用非谐振射频桥路法。二端口技术可以用于100M

43、Hz。 （2）时域法 随着快速取样示波器及隧道二级管阶跃脉冲发生器的应用，使行波时域谱仪(TDS)得到发展和广泛应用，使用频率达18GHz，随着频率的增高，其灵敏度随频率升高而下降。仪器方面的改进主要在于时基参考基准(即取样的同步及相位漂移和抖动)以及自动技术。现代ANA克分利用了时域同步技术。在低于1MHz的频段，采用CMOS开关，在10KHz频率上利用自动阶跃响应系统，使对正切损耗的分辨率达10rad，远比高频段TDS的分辨率高。 （3）频域传输线技术 时域测量技术以分降低辨率为代价，在微波频段实现了宽带测量。但最精确的介电常数和损能测量仍然采用频域法，对低损耗的测量尤其如此。业已证实，在

44、确定低损耗液体的损耗时，波导桥路或单通道结构可以获得与腔体法相比拟的不确定度(在100rad时大约为10rad)。并可在840GHz频段采用液体浸润技术测量固体介质样品。在波导结构中，反射测量法比传输测量法更为普遍。众所周知的Roberts-Von Hippel方法仍然是微波频段用得最广泛的材料测量技术。ANA和六端口技术更增加了它的应用潜力。而计算机的应用增加了它的使用方便性。此技术亦适用于宽温度范围的测量，例如在20600条件下测量陶瓷样品。 对于液体的导波反射测量，由于可随意调节样品厚度，因而减小了测量误差。采用曲线复合的导波技术，该方法可用于515GHz频段。采用反射一传输复合技术，可

45、以克分利用样品散射系数与复介电常数两者的相互依赖关系，使测量达到最佳化。这样，可使用ANA和六端口装置，将样品放在传输与反射端口之间的传输线内进行测量。 (4)在导波结构中运用场强的鼓值计算法 通常的导波技术假定，在传播媒质中的任意点，仅存在一个行波主模及其反射波。为使这一假定成立，结构上存在一系列限制。目前在材料测量中已普遍使用计算机对波的传输进行数值分析，生物材料的介电特性测量就是一个极好的例证，生物材料的复介电常数范围很宽，大多是损耗牲的，适合于使用反射计技术进行测量。自1980年以来，同轴开路探头已广泛用于无损生物材料测量。其优点在于不必将测试样品装入测试座中，从而有可能进行真正的活体

46、测试。 （5）微波闭腔法 尽管近来年传输技术有了很大发展，但谐振腔法由于具有更高灵敏度而仍然十分流行。即使只使用微量样品亦能保持其灵敏度。对于介电常数为2，损耗为lOOrad的样品，95%置信度时的测量不确定度3%。 常用两种不同的谐振法，其中微扰法适用于一切介电常数的测量，包括各向异性材料，磁性材料以及中高损耗性材料。另一种谐振法是针对低损耗介质测量的，此时必须使用较大量样品填满一定数量的腔体空间，并应采用尽可能简单的几何结构，以避免在场的计算上遇到数学困难。 毫无疑问，最流行的微扰结构为TM010腔体，将棒状固态样品或管装液体，沿轴线插入腔体，通过谐振频率及Q值的变化推算出材料特性。这类技

47、术亦适合于高温测量，曾报导过在35GHz用于高达1600的介质测量的微扰法。 事实上，精确的理论多用于极低损耗材料(低于300rad)的微波腔体测量。TE010模圆柱腔体理论在840GHz频段已被证明是非常成功的。在10和35GHz使用高Q(50000)腔体及锁相信号源，可获得高达lrad的灵敏度。 （6）开式谐振腔法 开式谐振腔是Fabry-Perot谐振器的准光学微波模拟。80年代以来，已发展成为专用于30200GHz的毫米波均匀低损耗材料的测量设备。但亦可用于更低的频率，如果允许使用大尺寸样品，则其低频灵敏度可与闭腔相比，而且使用更为方便。最灵敏的开式谐振腔是双凹型或平凹型，工作于TEM谐振模式，其电磁场具有驻波高斯波束的形式。可实现的Q值非常高，在35GHz的典型值为150000。因而允许人们以极高精度测量低损耗。在100rad时，灵敏度可达rad。 （7）微波自由空间法