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无线电计量的应用

 

一、无线电计量的基本概念


      无线电计量又称为电子计量(国外称为“射频和微波计量”),是在电磁计量的基础上发展起来的。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十千赫兹,而无线电计量具有宽广的频率覆盖,其低端与直流和交流电磁计量交叉,高端则可与光学计量交叉。无线电计量现今国际通行的频率覆盖范围为3kHz~3000GHz。

      无线电计量是随着电磁波的发现及应用而发展起来的。无线电的应用包括从早期的无线电报、无线电广播到现在的移动通信、卫星通信等,随着电子技术的迅速发展,其应用领域不断扩展。无线电计量则是研究无线电应用领域中各个参数的计量与测试问题,属于参数(参量)最多的计量专业之一,其基本的和比较重要的参数就有近20个,还有一些与无线电测量设备相应的参量或综合参数。无线电计量参数可以分为基本参量和导出参量。电磁咨询委员会(CCEM)规定射频电压、功率、衰减、阻抗、噪声、场强和天线参数为无线电计量关键量,并组织关键量的国际比对。

      目前无线电计量测试的参数大致可分为如下几大类:

      1.表征信号特征的参数:频率、射频电压、微波功率、脉冲参数、调制参数、失真、噪声温度、相位等。

      2.表征器件的参数:集总参数、散射参数、品质因数等。

      3.表征空间特征的参数:场强、天线增益参数等。

      4.表征材料特性的参数:介电常数、磁导率、电导率、损耗角正切等。


 二、无线电计量的特点


      无线电计量涉及的参量众多,量程和频段极为宽广。例如功率计量,其量程从纳瓦到兆瓦,量程覆盖达1∶1015量级;而实际需要的功率计量量程则更为宽广,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。无线电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,因此需要采用不同的计量方法和计量设备来分别建立相应的计量标准。

      传输和联接型式复杂。随着频率由低到高,无线电系统中的传输线有双线、电缆、同轴线、矩形或圆形金属波导、带状线、微带线、介质波导、光纤等多种形式,无线电传输中有不同的接头型式,如APC-14型、N型、APC-7型、SMA型、APC3.5型、K型、2.4mm、1.85mm和1.0mm等,除了50Ω阻抗系统和接头,还有75Ω阻抗系统和接头。针对不同的传输线、接头型式和阻抗,需要建立相应的计量标准。


 三、无线电计量常用测量技术


1.参量变换测量技术

      把被测参量变换成与其具有确定关系的另一参量进行测量的技术。例如,功率和电压标准常用的把被测功率和电压变换为热电势进行测量;相移测量中把被测相位差变换为时间间隔进行测量;噪声标准中把噪声功率谱密度变换为温度进行测量等。

2.频率变换测量技术

      由于标准器和测量器具在较低频率(尤其是直流)的准确度可以做得很高,因此利用外差变频把需要测量的较高频率的参量变换成低频(或直流)参量进行测量。例如,衰减标准装置采用的音频替代法、中频替代法和调制副载波法都是建立在频率变换基础上的比较测量;微波功率、高频电压标准中广泛采用的直流替代原理也是应用了这一变换技术。

3.量程变换测量技术

      把量程处于难以测量的边缘状态(太大或太小)的被测量,按一已知比值变换为量值适中的同一参量进行测量的技术。例如使用定向耦合器、功分器、衰减器或测量放大器等把被测功率、电压等量值降低或升高后进行测量的技术。

4.双通道相关测量技术

      在比较测量中,为了减小电路和环境条件的变化所引入的误差,可采用双通道相关测量技术,即把被测量和标准量设置两个相关通道,从而使电路和环境条件的变化对它们的影响基本相同并相互抵消,这一技术在衰减、相位、噪声等的标准测量装置中都有应用。

    

 四、无线电计量的量值溯源


      无线电计量基本参量的量值单位可以从SI单位米(m)、秒(s)、千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)等基本量导出。例如,射频电压和功率的单位由“安培”导出;噪声量值溯源到温度“开尔文”;相位的单位可由时间基准“秒”或几何量基准“米”导出;阻抗量值溯源于基准“米”;场强单位(V∕m)由电压(V)与长度米(m)导出;衰减是由比值定义而来的。

    

 五、无线电计量的应用


      无线电计量关注的是电磁波参量及特性,虽然并不直观,但是与我们的生活同样息息相关。

      例如,在移动通信领域,无线电功率计量直接关系到手机基站发射功率参数,进而关系到基站覆盖区域范围,手机接收灵敏度也与功率计量直接相关,灵敏度则与通信质量密切相关。我们使用的二代身份证、门禁卡和ETC收费均采用了射频识别技术,该技术涉及场强参数、波形参数和调制参数等无线电计量参数。民航中的无线电导航与无线电计量的相位参数和调幅深度参数有直接的关系,其计量的准确与否直接关系到飞行导航的准确程度。天线计量涉及的领域更广泛,包括预警机、雷达等国防应用,5G移动通信、卫星通信、卫星定位系统等通信应用,广播、电视及多媒体应用等;任何发射与接收均涉及天线计量问题,在数字电视、多媒体通信领域,涉及无线电计量信号特征参数,视频信号包括调制矢量误差、非线性失真等;音频信号包括失真度、数字音频失真等,传输系统包括误码率等。我们使用的各种传输线缆,包括USB充电线、数据传输线、视频传输线、音频传输线等,其质量差别主要由线缆的网络传输特性来决定,与无线电网络参数计量直接相关。在医学领域,我们通过采集人体电信号来诊断病情,包括心电图机、脑电图机,肌电图机等,这些仪器的准确与否直接影响医生的诊断结果,其技术性能与无线电计量中的波形参数、幅频特性、噪声等也直接相关。


六、常用无线电计量器具


    高频电压标准、同轴热电转换器、微电位计、高频电压表、高频毫伏表、高频微伏表、低频电压标准源、低频电压表、高频电流表、校准接收机、标准信号发生器、调幅度仪、频偏仪、调制度仪、失真度仪检定装置、失真度仪、低失真信号发生器、音频分析仪、脉冲发生器、时标发生器、标准脉冲幅度发生器、脉冲电压表、高频阻抗分析仪、高频标准电阻、高频标准电感、高频标准电容、Q表、高频Q值标准线圈、高频介质标准样片、高频电容损耗标准、高频零示电桥、谐振式阻抗仪、失量阻抗表、失量阻抗分析仪、高频电倍损耗仪、高频介质损耗仪、高频微波功率座、高频微波功率计、高频微波功率指示器、高频微波功率计校准装置、衰减器校准装置、衰减器、相位标准、相位计、移相器、相位发生器、微波阻抗标准装置、微波阻抗标准负载、测量线、反射计、阻抗图示仪、网络分析仪、高频微波噪声发生器、高频微波噪声测量仪、标准场强发生器、高频近区标准场装置、微波标准天线、高频场强计、微波漏能仪、测量接收机、干扰测量仪、脉冲响应校准器、晶体管图示仪、晶体管图示仪校准装置、晶体管参数测试仪、电子管参数测试仪、频谱分析仪、波形分析仪、电视综合测试仪、电视参数测试仪、示波器、示波器校准仪、抖晃仪、雷达综合测试仪、心电图仪检定装置、脑电图仪检定装置、心脑电图仪、半导体材料工艺参数测量标准、半导体材料工艺参数测量仪、集成电路参数测量标准、集成电路参数测量仪等;


七、常用无线电计量检定规程\校准规范


JJG 508-2004 四探针电阻率测试仪检定规程;

JJG 278-2002 示波器校准仪检定规程;

JJG 138-1986 CCJ-1C型精密电容测量仪检定规程;

JJG 173-2018 信号发生器检定规程;

JJG 250-1990 电子电压表检定规程;

JJG 262-1996 模拟示波器检定规程;

JJG 361-2003 脉冲电压表检定规程;

JJG 760-2019 心电监护仪检定规程;

JJG 1015-2006 通用数字集成电路测试系统检定规程;

JJG1043-2008脑电图机检定规程; 

JJG 1024-2007 脉冲功率计检定规程;

JJG 1057-2010 电视信号场强仪检定规程等;

 


 

2020年11月10日     被浏览:166次