日前，由中国计量科学研究院（简称“中国计量院”）研制的110GHz~170GHz波段毫米波功率基准正式通过了美国国家标准与技术研究院（NIST）专家验收。这台由中国人自主研发和制造的装置，将作为美国统一该波段功率量值的最高依据，为美国无线通信、电子、仪器制造等领域的用户提供量值溯源服务。

毫米波功率无法溯源，NIST找到中国计量院

2016年年初，美国某知名电子测试和测试仪器公司找到美国国家计量院（美国标准技术研究院，NIST），希望对其最新研制的功率传感器提供功率校准，以提升该公司新研发的毫米波及太赫兹功率计、信号发生器、网络分析仪等产品技术指标的可靠性。然而美国方面当时并不具备110GHz以上波段毫米波功率的校准与测量能力。

2016年7月，中国计量院信电所微波室主任崔孝海在参加国际精密电磁测量大会（CPEM）期间，就中国计量院最新自主研制的毫米波功率基准相关情况做了报告。“美国同行立刻与我们进行了接洽，详细了解了我们的技术思路和实施方案。”崔孝海说，“我们的装置突破了110GHz以上功率测量的技术瓶颈，工作频带宽、响应曲线平坦、热电转换速度快、测量准确度高，引起了同行的强烈反响。”

图1 NIST专家在实验室测试中国计量院研制的基准装置及配套设备

技术指标的优越性不光体现在纸面上。去年9月起，NIST相关实验室对各国建立的标准装置进行了广泛调研。经过反复比较和实地考察，NIST最终决定购买中国计量院研制的WR-6功率基准和配套装置。今年10月，专为NIST研制的功率基准复制品以及配套传感器、功率计等在美国顺利通过验收，现已交付NIST实验室使用。

瞄准前沿，攻克难题

毫米波是频率在30GHz~300GHz范围内的电磁波，被广泛应用于无线通信、雷达、遥感、射电天文学和临床医学等领域。在毫米波技术产品研发、应用、维护等全寿命周期内，功率测量都是“不可替代”的技术手段，功率测量准确与否在许多领域都至关重要。

据崔孝海介绍，在空间应用领域，准确的功率测量可确保星间通信的功率裕量，为减小天线口径、降低发射成本提供依据；在通信领域，功率指标影响移动通信基站布点、终端设备功耗设定，准确的功率测量可以节约大量能耗，保障通信系统绿色、安全、可靠。

随着毫米波系统需求的快速增长，毫米波技术不断向着微波的高频带延展，这给毫米波参数测量带来了新的挑战。

“在110GHz以上，一般的商业功率传感器均达不到功率标准器的指标。因此，要建立WR-6频段的毫米波功率，必须研制功率传感器，解决其宽带高匹配、快速热电转换和与直流功率之间清晰的溯源关系”，崔孝海介绍说。

图2 中国计量院毫米波与太赫兹功率计量课题组（部分成员）

自2014年起，中国计量院毫米波与太赫兹功率计量课题组在国家科技支撑计划项目“无线通信功率计量标准与溯源技术研究”课题的支撑下，开展了对国家微波与毫米波功率基准装置性能提升和全面优化研究。经过三年努力，课题组成功攻克了功率标准器、微量热计、标准器标定等方面的技术瓶颈，解决了宽带高匹配、快速热电转换、准确量热和相关量值向直流功率溯源的技术难题，建立起6套国家微波与毫米波功率基准装置，频率覆盖18GHz～170GHz，进一步完善了我国国家微波与毫米波功率计量基准体系。

其中，课题组研制的110GHz~170GHz功率基准装置为国际首创，且具有完全自主知识产权，全频段内太赫兹波功率吸收率高达99%以上，具有工作频带宽、响应曲线平坦、热电转换速度快、测量准确度高等特点。装置的复制品已交付美国国家计量院NIST使用。据了解，课题组还在新加坡国家计量院、香港地区校准实验室的国际采购竞标中胜出，将分别为两家机构建立N型功率标准。

12年技术积淀造就国际领先水平

在计量领域，微波与毫米波功率是国际计量局（BIPM）定义的“关键参数”，是无线电计量中最基本的参数。功率参数也是天线、场强、散射等其它关键参数量值溯源的源头。长期以来，由于国内核心技术的缺乏和发达国家的技术封锁及设备禁运，我国国家微波与毫米波功率基准多个重要频段空白。

图3 交付NIST使用的WR-6波段毫米波功率基准装置（部分）

为此，中国计量院通过12年努力，不断学习钻研、优化改进功率计量技术，从无到有地建立起我国多个波段的微波与毫米波功率基准装置，频率覆盖10MHz到170GHz，测量不确定度0.20%～3.5%（k=2），达国际领先水平。在BIPM组织的国际比对中，中国计量院研制的功率基准多次在美、德、英等发达国家计量院同类装置中脱颖而出，受到了国际同行专家的好评。相关装置的校准与测量能力（CMC）已全部进入BIPM关键比对数据库（KCDB），成为国际互认的国家校准与测量能力。

来源：中国计量科学研究院