Nghiên cứu và xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực công suất cao tần

Sau khi được phê duyệt là chuẩn đo lường quốc gia, hệ thống chuẩn công suất cao tần góp phần quan trọng trong việc dẫn xuất xuống các chuẩn đo lường của ngành công nghiệp, đảm bảo an nin

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì tôi viết trong Luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân tôi Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể

Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ Luận văn Thạc sĩ nào Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên đây

Hà Nội, ngày 24 tháng 10 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Vân

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho phép tôi được gửi lời cám ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo ở

Bộ môn Đo lường và Tin học công nghiệp - ĐHBK Hà nội và đặc biệt là GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và

thực hiện luận văn và đã đóng cho tôi những ý kiến quý báu trong quá trình thực

hiện Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Đo lường Việt Nam, Ông

trưởng phòng Đo lường Điện Từ trường – Viện Đo lường Việt Nam đã tạo điều

kiện về mặt thời gian và kinh phí để tôi được theo học khoá học 2013-2015 này Và cuối cùng tôi xin dành tất cả lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc tới cha mẹ, người

đã sinh thành nuôi dưỡng tạo điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu Xin cám

ơn gia đình tôi, những người bạn luôn sát cánh bên tôi, các đồng nghiệp đã quan tâm giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này

Trong khoảng thời gian không dài tôi đã nỗ lực và cố gắng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, song chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, tôi rất mong được sự chỉ bảo, dạy dỗ của các thầy cô giáo, sự góp ý của các chuyên gia, các đồng nghiệp và bè bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

LỜI MỞ ĐẦU 9

Chương 1 TỔNG QUAN 12

1.1.Khái niệm cơ bản 12

1.1.1.Watt: 12

1.1.2.Decibel: 12

1.1.3.dBm: 12

1.1.4.Công suất : 12

1.1.5.Độ không đảm bảo đo 14

1.1.5.1.Các khái niệm về độ không đảm bảo đo 14

1.1.5.2.Các bước tính toán độ không đảm bảo đo: 15

1.2 Khái quát hệ thống chuẩn công suất cao tần của Viện Đo lường Việt Nam 16

1.2.1 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn 16

1.2.2 Giới thiệu về chuẩn công suất cao tần 20

1.2.2.1 Giới thiệu chung 20

1.2.2.2.Đặc tính kỹ thuật 22

1.2.2.3.Các thiết bị phụ trợ 25

1.3 Nguyên lý họat động 25

1.3.1 Sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ 25

1.3.2 Phân nhánh công suất 26

1.3.3 Điều khiển nhiệt độ Thermistor 27

1.3.4 Nguyên lý thay thế điện áp DC 27

1.3.5 Xác định công suất 28

1.3.6 Hệ số hiệu chuẩn 29

Chương 2 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP DẪN XUẤT HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA CÔNG SUẤT CAO TẦN 32

2.1.Đặt vấn đề 32

2.2 Phương pháp hiệu chuẩn 32

2.2.1 Phạm vi áp dụng 32

2.2.2 Giải thích từ ngữ 32

2.2.3 Phương tiện hiệu chuẩn 33

2.2.4.Tiến hành hiệu chuẩn 33

2.2.4.1 Đo hệ số phản xạ 33

2.2.4.2 Đo hệ số hiệu chuẩn bằng phương pháp đo trực tiếp 34

2.3.Tính toán độ không đảm bảo đo 36

2.3.1 Kết quả đo 36

2.3.2 Xác định các thành phần của độ không đảm bảo đo 36

2.3.2.1 Theo công thức toán học 36

2.3.2.2 Độ không đảm bảo đo của chuẩn 37

2.3.2.3 Độ không đảm bảo của tỉ số công suất 38

2.3.2.4 Độ không đảm bảo của ghép nối 38

2.3.2.5 Độ không đảm bảo đo tổng hợp 39

2.3.2.6 Độ không đảm bảo đo mở rộng 39

2.3.2.7 Đánh giá các thành phần của độ không đảm bảo đo 39

Chương 3 NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN CÔNG SUẤT CAO TẦN BẰNG PHẦN MỀM SURECALL 41

3.1.Giới thiệu sơ lược về phần mềm SureCal 41

3.1.1 Giới thiệu tổng quan 41

3.1.2 Mô tả phần thủ tục CP (Calibration Procedure) 41

3.1.3 Biên tập dữ liệu tạm thời (Data Template Editing) 42

3.1.4 Biên tập đồ họa (Graphic Editor) 42

3.1.5 Quy trình hiệu chuẩn (Calibration Procedures) 42

3.1.6 Các chương trình con kiểm tra (Test Subprograms) 42

3.1.7 Chương trình điều khiển thiết bị (Instrument Drivers) 42

3.1.8 Xuất dữ liệu ra cho người sử dụng 42

3.2 Phương pháp hiệu chuẩn chuẩn công suất cao tần 43

3.2.1 Phạm vi áp dụng 43

3.2.2 Các phép hiệu chuẩn 43

3.2.3 Phương tiện hiệu chuẩn 44

3.2.4.Điều kiện hiệu chuẩn 44

3.2.5 Các bước tiến hành hiệu chuẩn 44

3.2.5.1 Xác định thông tin về phương pháp hiệu chuẩn: 45

3.2.5.2 Xác định các chuẩn dùng để hiệu chuẩn: 45

3.3.Thiết lập các tham số cần hiệu chuẩn 47

3.3.1.Thiết lập hệ số sóng đứng SWR 47

3.3.2.Thiết lập hệ số hiệu chuẩn (CF) 50

3.4 Tiến hành hiệu chuẩn 53

3.4.1 Hiệu chuẩn hệ số sóng đứng SWR 53

3.4.2 Hiệu chuẩn hệ số hiệu chuẩn CF 57

3.4.3 Lưu kết quả đo 60

3.5 Đánh giá độ không đảm bảo đo 61

3.5.1 Hệ số sóng đứng SWR 61

3.5.2 Hệ số hiệu chuẩn CF 61

Chương 4 KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

4.1 Đánh giá tổng kết các nội dung đã thực hiện 63

4.2 Xây dựng hướng phát triển tiếp theo 63

PHỤ LỤC 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Ý nghĩa

5 UUT (hoặc DUT) Thiết bị cần hiệu chuẩn

9 CIPM-MRA Thỏa thuận toàn cầu về công nhận lẫn nhau

15 Signal Generator Máy tạo sóng

16 Power Meter Máy đo công suất

17 Power Sensor Đầu đo công suất

Do Viện Đo lường Việt Nam tham gia chương trình “Thỏa thuận toàn cầu

về công nhận lẫn nhau đối với chuẩn đo lường quốc gia” – CIPM - MRA nên các số liệu, kết quả tính toán có số thập phân được thể hiện bằng dấu “.” thay vì sử dụng dấu “,” theo TCVN

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Đặc trưng chung về chuẩn công suất RF 21

Bảng 1.2: Mô tả đặc tính kỹ thuật của Model F1130/M1130 23

Bảng 1.3: Mô tả đặc trưng kỹ thuật của F1135/M1135 24

Bảng 1.4: Các thiết bị phụ trợ 25

Bảng 2.1 Kết quả hiệu chuẩn 36

Bảng 2.2: Bảng thành phần độ không đảm bảo đo 40

Bảng 3.1: Các phương tiện hiệu chuẩn 44

Bảng 3.2: Bảng kết quả đo hệ số sóng đứng 56

Bảng 3.3: Kết quả đo hệ số hiệu chuẩn 59

Bảng 3.4: Các thành phần độ KĐB đo của hệ số sóng đứng 61

Bảng 3.5: Các thành phần độ KĐB đo của hệ số hiệu chuẩn 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hình vẽ thể hiện P là mối quan hệ giữa U và I 13

Hình 1.2: Lưu đồ tính toán độ không đảm bảo đo 16

Hình 1.3: Sơ đồ dẫn xuất của công suất cao tần, quy hoạch đến năm 2020 17

Hình 1.4: Hình ảnh chuẩn M1130/F1130 22

Hình 1.5: Hình ảnh chuẩn M1135/F1135 23

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mạch của chuẩn công suất cao tần 26

Hình 1.7: Sơ đồ mạch của bộ điều khiển nhiệt trong của RF Power Standard 27

Hình 2.1: Sơ đồ xác định hệ số phản xạ 34

Hình 2.2: Sơ đồ xác định hệ số hiệu chuẩn 35

Hình 3.1: Sơ đồ hiệu chuẩn đầu đo công suất sử dụng chuẩn F1130A/F1135A 43

Hình 3.2: Xác định phương tiện cần hiệu chuẩn 46

Hình 3.3: Xác định các chuẩn dùng để hiệu chuẩn 46

Hình 3.4: Xác định dải tần số cần hiệu chuẩn 47

Hình 3.5: Xác định các đầu kết nối giữa VNA và UUT 48

Hình 3.6: Xác định mức đo và tần số cho phù hợp với UUT 48

Hình 3.7: Xác định giá trị của UUT 49

Hình 3.8: Xác định độ không đảm bảo đo cho SWR 49

Hình 3.9: Xác định dải tần số cần hiệu chuẩn của CF 50

Hình 3.10: Xác định độ không đảm bảo đo cho hệ số hiệu chuẩn 51

Hình 3.11: Hiển thị các thông số, đơn vị của CF 51

Hình 3.12: Xác định chuẩn dùng để đo 52

Hình 3.13: Xác định chuẩn dùng để hiển thị 52

Hình 3.14: Xác đinh UUT Monitor 53

Hình 3.15: Kết nối VNA với Open 54

Hình 3.16: Kết nối VNA với Short 54

Hình 3.17: Kết nối VNA với Load 55

Hình 3.18: Kết nối UUT 55

Hình 3.19: Đồ thị thể hiện kết quả đo hệ số sóng đứng 57

Hình 3.20: Sơ đồ kết nối của đầu đo công suất chuẩn vào hệ thống 58

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối của đầu đo công suất cần hiệu chuẩn UUT vào hệ thống 58 Hình 3.22: Đồ thị thể hiện kết quả đo hệ số hiệu chuẩn 60

Hình 3.23: Lưu kết quả phép đo 60

LỜI MỞ ĐẦU

Đo lường là nền móng để tạo ra những thành tựu khoa học, kỹ thuật to lớn phục vụ cho cuộc sống và công cuộc chinh phục thế giới tự nhiên của loài người Các phương pháp đo, phương tiện đo đã được phát triển ngày càng đa dạng và sử dụng rộng rãi Có thể thấy rõ đo lường đã tiến một bước dài, sâu, rộng trên nhiều lĩnh vực và có ảnh hưởng to lớn đến mọi mặt đời sống xã hội Giờ đây các thiết bị

đo lường là một thành phần không thể thiếu trong sản xuất và lưu thông hàng hoá, trong đảm bảo an toàn lao động, vệ sinh an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khoẻ của con người

Theo TCVN 6165:1996 (VIM 1993) và hiện nay là TCVN 6165:2009

(ISO/IEC Guide 99:2007): “Chuẩn đo lường (measurement standards) là sự thể

hiện định nghĩa của đại lượng đã cho, với giá trị đại lượng được công bố và độ không đảm bảo đo kèm theo, dùng làm mốc quy chiếu” Chuẩn đo lường chính là sự thể hiện cụ thể độ lớn của đơn vị đo lường theo định nghĩa của đơn vị Hệ thống chuẩn đo lường là cơ sở kỹ thuật quan trọng nhất để đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần thiết của tất cả các phép đo trong phạm vi quốc gia và quốc tế Cũng

theo TCVN 6165:2009, “Chuẩn đo lường quốc gia (national measurement standards) là chuẩn được công nhận bởi cơ quan có thẩm quyền quốc gia để dùng

trong một nước hoặc nền kinh tế như là cơ sở cho việc ấn định giá trị đại lượng cho các chuẩn đo lường khác của loại đại lượng có liên quan” Như vậy, trong phạm vi một nước, chuẩn đo lường quốc gia ở vị trí cao nhất, là gốc, là xuất phát điểm cho tất cả các phép đo của từng lĩnh vực đo lường Sự hài hòa và công nhận lẫn nhau giữa các nước theo “Thỏa thuận toàn cầu về công nhận lẫn nhau đối với chuẩn đo lường quốc gia” – CIPM-MRA, chính là cơ sở để đảm bảo cho đo lường thống nhất

và chính xác trên phạm vi toàn thế giới Với ý nghĩa đó, chuẩn đo lường nói chung, đặc biệt là chuẩn đo lường quốc gia, không chỉ có vai trò quan trọng trong khoa học – công nghệ mà còn có vai trò to lớn trong hệ thống kinh tế – xã hội Để xây dựng, phát triển kinh tế - xã hội và hội nhập kinh tế quốc tế không thể không thiết lập và thiết lập và hài hòa với quốc tế chuẩn đo lường quốc gia của từng lĩnh vực

Bên cạnh các đại lượng cơ bản đã được công nhận trên thế giới thì các đại lượng dẫn xuất cũng góp một phần to lớn trong quá trình phát triển khoa học kỹ thuật Phép đo từ các đại lượng dẫn xuất trong lĩnh vực đo vô tuyến điện, định vị và điều khiển từ xa rất cần thiết cho việc đảm bảo đo lường cho các ngành quan trọng như: Bưu điện; Viễn thông; Phát thanh phát hình; Hàng không; Quân đội an ninh quốc phòng,

Nhiệm vụ xây dựng và phát triển hệ thống chuẩn đo lường quốc gia trong đó

có chuẩn đơn vị công suất nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội và nhu cầu hội nhập kinh tế quốc tế đang trở thành một nhiệm vụ quan trọng của ngành Đo lường Việt Nam Hệ thống này trước tiên phải đủ điều kiện được Chính phủ công nhận là Chuẩn đo lường quốc gia theo chuẩn mực quy định trong các văn bản pháp quy kỹ thuật của Nhà nước, đồng thời phải đạt được sự công nhận trên phạm vi quốc tế

Trong dòng thác của sự toàn cầu hóa nền kinh tế thế giới và sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ; với tư cách là một trong những cơ sở hạ tầng không thể thiếu để phát triển của mỗi quốc gia, đo lường đang đứng trước những thách thức lớn xét trên phạm vi một nước cũng như trên phạm vi quốc tế Nhiều nhiệm vụ mới đang đặt ra trước lĩnh vực đo lường cùng những cách làm mới hoàn toàn khác trước đây Cập nhật với mọi yêu cầu của nền kinh tế quốc dân và tình hình đo lường thế giới, việc thiết lập và công bố chuẩn quốc gia về công suất cao tần nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất và nghiên cứu khoa học trong nước cũng như nhu cầu hội nhập đo lường Việt Nam với khu vực và thế giới là rất cần thiết và

có ý nghĩa thực tiễn Chính vì lý do trên, tôi đề xuất đề tài “Nghiên cứu và Xây

dựng hệ thống chuẩn Đo lường Quốc gia lĩnh vực Công suất cao tần”

Nội dung chủ yếu của luận văn là xây dựng các phương pháp duy trì dẫn xuất hệ thống chuẩn công suất cao tần, đánh giá hệ thống chuẩn quốc gia công suất cao tần nhằm hoàn thiện hồ sơ xin phê duyệt hệ thống chuẩn Quốc gia công suất cao tần là chuẩn Đo lường Quốc gia của Việt Nam Luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan trình bày về các vấn đề cơ bản của đại lượng đo công

suất cao tần, giới thiệu khái quát về hệ thống chuẩn công suất cao tần của Việt Nam

Chương 2: Phát triển phương pháp dẫn xuất hệ thống chuẩn đo lường quốc

gia công suất cao tần Tính toán và đánh giá độ không đảm bảo của kết quả đo công suất cao tần

Chương 3: Nghiên cứu và xây dựng phương pháp dẫn xuất hệ thống chuẩn

đo lường quốc gia lĩnh vực công suất cao tần ứng dụng phần mềm SureCal để hệ thống Chuẩn công suất cao tần chạy tự động Tính toán độ không đảm bảo đo và đánh giá hệ thống khi ứng dụng phần mềm SureCal

Chương 4: Kết luận và đánh giá kết quả thực tế đạt được của phương pháp

và đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Sau khi được phê duyệt là chuẩn đo lường quốc gia, hệ thống chuẩn công suất cao tần góp phần quan trọng trong việc dẫn xuất xuống các chuẩn đo lường của ngành công nghiệp, đảm bảo an ninh quốc phòng, bưu điện, viễn thông, phát thanh phát hình, hàng không, quân đội : Rada, tên lửa, phòng không không quân, …

Vì vậy, xây dựng phương pháp dẫn xuất hệ thống chuẩn công suất cao tần

đúng đắn và có độ tin cậy cao là nội dung chủ yếu trong “Nghiên cứu và Xây dựng

hệ thống chuẩn Đo lường Quốc gia lĩnh vực Công suất cao tần”

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1.Khái niệm cơ bản

Công suất P được thể hiện bởi mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp U

Ta có sơ đồ mạch và đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa I và U như trên hình 1:

Hình 1.1: Hình vẽ thể hiện P là mối quan hệ giữa U và I

- Công suất của sóng CW (continuous wave) tại tần số (1/To) là:

∫ (1.4) Trong đó: To là chu kỳ AC

ep, ip lần lượt là các giá trị của e và i

1.1.5.Độ không đảm bảo đo

1.1.5.1.Các khái niệm về độ không đảm bảo đo

a Độ không đảm bảo đo (của phép đo): là tham số, kết hợp với kết quả đo, đặc trưng cho độ phân tán của các giá trị có thể quy cho một cách hợp lý là giá trị của đại lượng đo

Độ không đảm bảo đo bao gồm rất nhiều thành phần Một số thành phần có thể được đánh giá từ phân bố xác suất thống kê của một chuỗi các kết quả đo và có thể được đặc trưng bởi độ lêch chuẩn thực nghiệm, các thành phần này được gọi là

độ không đảm bảo loại A Các thành phần khác có thể được đánh giá từ các phân bố mật độ xác suất dựa trên thực nghiệm hoặc các thông tin khác được gọi là độ không đảm bảo loại B [6]

Có thể hiểu rằng kết quả của phép đo là ước lượng tốt nhất giá trị của đại lượng đo và tất cả các thành phần độ không đảm bảo đo, bao gồm cả những khả năng phát sinh từ các ảnh hưởng hệ thống, ví dụ như các thành phần liên quan đến các hiệu đính kết quả đo và các chuẩn sử dụng góp phần vào sự phân tán giá trị của đại lượng đo

b Độ không đảm bảo đo chuẩn: Độ không đảm bảo của kết quả đo được thể hiện như một độ lệch chuẩn

c Độ không đảm bảo đo loại A: Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo

đo dựa trên phân tích thống kê của một chuỗi các giá trị đo được

d Độ không đảm bảo đo loại B: Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo

đo khác không dựa trên phân tích thống kê của một chuỗi các giá trị đo được

e Độ không đảm bảo đo kết hợp: Độ không đảm bảo chuẩn của kết quả một phép đo thu được bởi các giá trị của một hoặc một số các đại lượng đầu vào khác nhau, bằng dương căn bậc hai của tổng bình phương các thành phần độ không đảm bảo đo mà phương sai hay hiệp phương sai của các đại lượng đầu vào khác nhau này có độ lớn dựa trên cách mà kết quả đo biến đổi khi các đại lượng đầu vào thay đổi

f Độ không đảm bảo đo mở rộng: Thông số xác định một khoảng kết quả của một phép đo mà có thể được dự kiến sẽ bao trùm một phần lớn sự phân bố các giá trị mà có thể quy cho một cách hợp lý là giá trị của đại lượng đo Giá trị độ không đảm bảo đo mở rộng bằng tích của độ không đảm bảo đo kết hợp với hệ số phủ tương ứng với mức tin cậy quy định

g Hệ số phủ, k: Hệ số được sử dụng như một số nhân của độ không đảm bảo đo chuẩn kết hợp để thu được một độ không đảm bảo đo mở rộng Hệ số phủ thông thường có giá trị nằm trong dải từ 2 đến 3

1.1.5.2 Các bước tính toán độ không đảm bảo đo:

a Lập mô hình toán học của phép đo

b Nhận diện tất cả các nguồn độ không đảm bảo đo

c Tính toán các thành phần độ không đảm bảo đo chuẩn, u i (loại A và loại B) và hệ

số nhạy, c i của từng thành phần độ không đảm bảo đo

Hình 1.2: Lưu đồ tính toán độ không đảm bảo đo 1.2 Khái quát hệ thống chuẩn công suất cao tần của Viện Đo lường Việt Nam 1.2.1 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn

Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống đo công suất cao tần ở Viện Đo lường Việt Nam, theo quy hoạch đến năm 2020 được thể hiện ở hình (1.3)

Thiết lập mô hình toán học của phép đo

Liệt kê các nguồn độ không đảm bảo đo

Tính toán các thành phần độ không đảm bảo đo, u i

Tính toán hệ số nhạy, c i

Tính toán độ không đảm bảo đo kết hợp

Tính toán độ không đảm bảo đo mở rộng và hệ số

phủ (U và k) U=k.u c

Hình 1.3:Sơ đồ dẫn xuất của công suất cao tần, quy hoạch đến năm 2020

Trong đó:

I Chuẩn quốc gia

(1) Chuẩn đầu công suất tần số cao (Microcalorimeter):

Phạm vi: 10 MHz – 26.5 GHz,

Độ không đảm bảo đo: 0.4 % (k=2)

Do điều kiện kinh phí còn hạn chế nên chuẩn Microcalorimeter chưa được đầu tư, trang bị

(2) Chuẩn thứ công suất tần số cao (Power Transfer Standard):

Phạm vi: 10 MHz – 26.5 GHz,

Độ không đảm bảo đo: 2% (k=2)

Các trang thiết bị và phụ kiện:

- Các đầu đo công suất chuẩn (Thermistor mount) Agilent 478A, 8468B

- Máy đo phân tích trở kháng tần số cao (Vector Network Analyzer) VNA

- Bộ kit hiệu chuẩn (Calibration kit)

- Bộ kit đo hệ số sóng đứng(SWR Measurement kit) Tegam

- Vôn mét vạn năng Agilent 3458A

- Các đầu nối tương ứng và dây dẫn ghép nối

II Chuẩn chính, chuẩn công tác

III Phương tiện đo

(5) Máy đo công suất tần số cao (RF Power Meters):

- RF Power Meters

(7) Nguồn tín hiệu tần số cao (RF Power Sources):

- Signal Generators / Function Generators

1.2.2 Giới thiệu về chuẩn công suất cao tần

Hệ thống chuẩn Tegam là chuẩn công suất cao tần cao nhất tại Viện đo lường Việt Nam Hệ thống chuẩn công suất cao tần được thiết kế để đo chính xác công suất cao có dải tần số từ 100 kHz đến 26.5 GHz Hệ thống chuẩn công suất cao tần Tegam không phải là một thiết bị riêng lẻ Do vậy các đơn vị trong các thiết

bị này được xác định bởi các thiết bị khác và nó chỉ hoạt động khi việc kết nối hệ thống được hoàn tất Việc vận hành, điều khiển hệ thống cần cẩn thận, chính xác và hiểu biết Hệ thống gồm có các thiết bị sau: Chuẩn quốc gia F1130, F1135; chuẩn thứ M1130, M1135 và chuẩn xác định DC: 1806 (A), 1830A Hiện tại Chuẩn đầu quốc gia về công suất cao tần chưa có, vì vậy việc dẫn xuất vẫn phải gửi đi cácViện

Đo lường có chuẩn Microcalorimeter như NIST, NMJ, Hàn Quốc, … để hiệu chuẩn

1.2.2.1 Giới thiệu chung

a Giới thiệu chức năng

Hệ thống chuẩn quốc gia về công suất cao tần được thiết kế để đo chính xác công suất cao có dải tần số từ 100 kHz đến 26.5 GHz Đây là những thiết bị được

sử dụng có độ chính xác cao, ổn định với thời gian và nhiệt độ; được thiết kế cho mục đích sử dụng truyền hệ số hiệu chuẩn cho các đầu đo khác Trong đó mỗi giá trị được cung cấp đều được dẫn xuất chuẩn từ NIST Các chuẩn được định hình trong cấu hình của chuẩn chính và chuẩn công tác Các chuẩn công tác về RF được tích hợp bộ chia nhiệt điện trở được sử dụng để hiệu chuẩn các đầu đo là bolometer

và máy đo công suất Các chuẩn chính về RF là các nhiệt điện trở được sử dụng để hiệu chuẩn các chuẩn và ứng dụng đo trực tiếp công suất RF

b Mô tả về tính chất vật lý

Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của hệ thống chuẩn RF được mô tả trong bảng 1.1 -Chuẩn công tác RF có các đầu tín hiệu kết nối là SENSOR, RF INPUT, BIAS VOLTAGE, TEMPerature được nối ở mặt trước [5]

-Chuẩn chính có đặc tính là đầu vào RF Input được thể hiện ở mặt trước, và đầu nối BIAS VOLTAGE, TEMPerature được nối ở mặt sau

STT Nội dung Đặc trưng kỹ thuật

1 Dải công suất 0.01 đến 25 mW (-20 đến +14 dBm)

3 Độ tuyến tính công suất  0.1% từ 1 đến 10 mW

1 đến 4 GHz, bước nhảy 100 MHz

4 đến 12.4 GHz, bước nhảy 200 MHz 12.75 đến 18 GHz, bước nhảy 250 MHz

18 đến 26 GHz, bước nhảy 1GHz 26.5 GHz

6 Độ dịch công suất nhiệt điện

trở DC

30 ± 0.7 mW

7 Điện trở của nhiệt điện trở 200 

8 Độ nhạy công suất nhiệt điện

10 Thời gian sấy máy Ít nhất 2 giờ

Bảng 1.1: Đặc trƣng chung về chuẩn công suất RF

1.2.2.2.Đặc tính kỹ thuật

a Đặc trưng kỹ thuật của chuẩn M1130/F1130

Chuẩn công suất cao tần có dải tần số từ 100 kHz đến 18 GHz được thể hiện

1.30 từ 100 đến 500 kHz 1.10 từ 0.5 đến 1000 MHz 1.20 từ 1 đến 3 GHz 1.45 từ 3 đến 18 GHz Suy hao tín hiệu Bình thường 6 dB, lớn nhất:

Đầu đực loại N 4-pin mini-mỉcophone Đầu chuẩn 0.75”

83.8 mm 76.2 mm

235 mm

Bảng 1.2: Mô tả đặc tính kỹ thuật của Model F1130/M1130

b Đặc trưng kỹ thuật của chuẩn M1135/F1135

Chuẩn công suất cao tần có dải tần số từ 100 kHz đến 18 GHz được thể hiện

ở hình 1.5

Hình 1.5: Hình ảnh chuẩn M1135/F1135

Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của Model F1135/M1135 ở bẳng 1.3

N/A Đầu đực loại 3.5 mm 4-pin mini-microphone Đầu chuẩn 0.75”

83.8 mm 76.2 mm 180.3 Mm

Bảng 1.3: Mô tả đặc trƣng kỹ thuật của F1135/M1135

1.2.2.3.Các thiết bị phụ trợ

Để điều khiển được hệ thống chuẩn Công suất RF thì phải có các thiết bị phụ trợ đi kèm Các thiết bị được liệt kê trong bảng 1.4:

1 Điều khiển mức RF Tegam Model 1805B hoặc Agilent

83650B

2 Máy đo công suất type IV 1806 (A), 1804/1820

3 Vôn mét DC Volts, độ phân giải 61/2 digit (3458A)

1.3.1 Sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ

Mỗi chuẩn RF có chứa cặp hạt nhiệt điện trở thermistor, ở đó điện trở thay

đổi như là một hàm của nhiệt độ Nhiệt độ hạt nhiệt điện trở là một hàm kết hợp cả

DC và công suất RF cung cấp cho thermistor và nhiệt độ môi trường xung quanh các hạt Mức công suất của các hạt điều điều khiển ở bên ngoài Một phần tử làm nóng được điều khiển bởi một bộ điều khiển bên ngoài, cung cấp nhiệt độ xung quanh ổn định

Sơ đồ nguyên lý mạch điện của RF Power Standard tại hình.1.6

Điện áp DC biasing của cặp điện trở hạt thermistor là 100 , do đó nếu mắc song song thì điện trở RF là 50 , nếu mắc nối tiếp thì điện trở là 200  Khối tụ điện block và tụ điện bypass ngăn chặn DC từ tín hiệu RF Bộ lọc tụ phòng bị hệ số

sóng đứng (VSWR) thấp trong dải cuối của dải tần số Cung cấp một giá trị công suất xấp xỉ 30 mW đến hạt nhiệt điện trở tạo ra một điện trở DC 200  Khi công suất cung cấp đến hạt thermistor tăng thì ảnh hưởng của nó tới giá trị điện trở giảm Điều này dẫn đến hệ số nhiệt độ của hạt âm Ban đầu, hạt là điện áp DC tăng đến

200 , cung cấp công suất RF tăng tại hạt là nguyên nhân ảnh hưởng đến giá trị điện trở của hạt bị giảm Mạch cầu giảm công suất DC đến giá trị ảnh hưởng ban đầu điện trở trở lại là 200  Tổng lượng công suất DC bị mất đi tỉ lệ với tổng công suất RF Một cách định lượng, tổng lượng công suất cung cấp đến các hạt thermistor bằng với tổng của hai nhánh công suất

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mạch của chuẩn công suất cao tần

1.3.2 Phân nhánh công suất

Ở chuẩn công suất cao tần F1130/F1135 có chứa bộ phân nhánh định hướng công suất Mạch hình chữ T như hình 1.6, mắc nối tiếp mỗi điện trở 50  Sử dụng phân nhánh trong một vòng lặp định hướng là cung cấp hệ số công suất Điều này

có nghĩa là nguồn trở kháng tại cả cổng ra định hướng được xác định bởi điện trở 50

 và nối đầu ra Ngoài ra, công suất được chia cân bằng giữa hai cổng như hình 1.6

1.3.3 Điều khiển nhiệt độ Thermistor

Thermistor là thiết bị thay đổi với nhiệt độ, nó cần thiết được loại bỏ hoặc làm giảm đến mức thấp nhất ảnh hưởng sự thay đổi của nhiệt độ xung quanh, và điều này có bộ điều khiển mức nhiệt như hình vẽ 1.7:

Hình 1.7: Sơ đồ mạch của bộ điều khiển nhiệt trong của RF Power Standard

Nhiệt độ được xác định bởi đặc tính các hạt thermistor

Mạch cầu Wheatstone cho ta thấy mạch cân bằng khi tất cả các dây sấy nóng

là cân bằng Với hai dây dẫn, giả sử là R1 và R2 hệ số nhiệt độ là zero của dây dẫn giữa hai chân của cầu Hai điện trở còn lại R3 và R4 có hệ số nhiệt độ tích cực Khi điều kiện không cân bằng thì đầu ra của cầu điều chỉnh đầu ra của bộ điều khiển nhiệt độ Do đó, cấu hình cầu hoàn thiện bao gồm cả cảm biến nhiệt độ và chức năng sấy

1.3.4 Nguyên lý thay thế điện áp DC

Chuẩn công suất sử dụng nguyên lý bù điện áp một chiều để đo công suất

RF Khi công suất RF được cấp vào chuẩn công suất bị suy hao bởi phản xạ và những nguyên nhân khác, trước khi nó được cấp đến các nhiệt điện trở Vì các nhiệt điện trở là những thiết bị nhạy với nhiệt độ nên khi nhiệt độ thay đổi thì nhiệt điện trở thay đổi theo Mạch cầu cân bằng có tác dụng đưa giá trị đo về giá trị cân bằng Việc đo công suất bằng cách đo gián tiếp qua điện áp mạch cầu DC

Hệ số hiệu chuẩn cho chuẩn được xác định bởi công thức 1.14:

Trong đó: PRF: mức công suất RF;

PDC: công suất thay thế DC là công suất tỉ lệ thuận với công suất tới trên nhiệt điện trở;

K là hệ số hiệu chuẩn của chuẩn công suất RF (được dẫn xuất từ Viện đo lường Quốc gia Mỹ (NIST))

1.3.5 Xác định công suất

Công suất được đo trong mạch thông qua các điện trở chính xác của mạch cầu loại

IV

Thiết bị đo Voltmeter đo điện áp thông qua các điện trở chính xác

- Công thức (1.15) xác định công suất:

Trong đó:

+ P là công suất xác định trên các chân của điện trở chính xác

+ V: điện áp đo được trên chân của điện trở chính xác

+ 200: là giá trị điện trở đo được của chân điện trở chính xác

Tổng công suất áp dụng cho các chân của nhiệt điện trở (trong chuẩn công suất RF) của loại cầu IV bằng tổng công suất của cả DC và công suất RF Chân điện trở chính xác chỉ có công suất DC cung cấp cho nó Do vậy, công suất RF được giới thiệu đến các nhiệt điện trở tỉ lệ thuận với sự thay đổi trong công suất DC qua điện trở chính xác

- Sự thay đổi trong công suất DC thông qua các điện trở chính xác được xác định là:

-Trong đó

+ ΔP: là sự thay đổi công suất thông qua chân điện trở chính xác khi công suất RF được cung cấp đến chân nhiệt điện trở;

+ P1: là công suất thông qua chân điện trở chính xác mà không có công suất RF +P2 là công suất thông qua chân nhiệt điện trở chính xác mà có công suất RF

+ PRF: là mức công suất được cấp vào;

+ Pdc: công suất DC tỉ lệ thuận với công suất vào;

+ K: hệ số hiệu chuẩn của đầu đo công suất, được dẫn xuất từ NIST

- Nếu sự gắn kết được nối vào một bên của bộ nối hoặc một đầu của bộ chia K được

kí hiệu là hệ số hiệu chuẩn máy đo và công suất PRF là công suất được xác định từ tải

- Cho phản hồi chuẩn RF có hệ số hiệu chuẩn K2 được tính là:

+ K2: Hệ số hiệu chuẩn của phản hồi Chuẩn công suất RF

+ Pdc2: DC thay thế công suất đo đươc bằng thiết bị kết nối đến phản hồi chuẩn công suất RF

+ PRF: Mức công suất của RF

+ Pdc1: DC thay thế công suất đo đươc bằng thiết bị kết nối đến phản hồi chuẩn công suất RF

+ K1: Hệ số hiệu chuẩn của đầu xác định của chuẩn RF được dẫn xuất từ Viện Đo lường quốc gia Mỹ (NIST)

- Hệ thống xác định hệ số hiệu chuẩn của thiết bị được kiểm tra trong khuôn khổ đã biết hệ số hiệu chuẩn của các nhiệt điện trở và độ chính xác của hệ thống đo DC

- Phản hổi chuẩn công suất RF được sử dụng để xác định hệ số hiệu chuẩn cho các đầu đo công suất khác Hệ số hiệu chuẩn cho UUT được kí hiệu là K1S và được xác định bằng cách đầu tiên xác định PRF:

- DUT phải được kết nối với máy đo công suất tương ứng

- Cách xác định hệ số hiệu chuẩn của UUT là:

+ Pdc2: DC thay thế công suất đo đươc bằng thiết bị kết nối đến phản hồi chuẩn công suất RF

+ K2: Hệ số hiệu chuẩn của Chuẩn công suất RF phản hồi

+ K1S: Hệ số hiệu chuẩn của UUT

+ Pm: Đọc từ UUT tương thích với máy đo công suất

Hệ số hiệu chuẩn là tỉ lệ của công suất cung cấp và công suất đo được Kết quả tính toán của hệ số hiệu chuẩn (K) sẽ là kết quả từ 0 đến 1 Hệ số hiệu chuẩn cũng được thể hiện ở giá trị % hoặc decibels (dB):

Chương 2 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP DẪN XUẤT HỆ THỐNG CHUẨN

ĐO LƯỜNG QUỐC GIA CÔNG SUẤT CAO TẦN

Ưu điểm của phương pháp này là cung cấp những cải tiến về cả tốc độ và độ chính xác của phép đo Cuối năm 2012 phòng Đo lường Điện từ trường – Viện Đo lường Việt Nam được hỗ trợ thiết bị VNA, từ đây tôi đã nghiên cứu để ứng dụng sử dụng thiết bị vào hệ thống chuẩn công suất của Viện Đo lường Việt Nam một cách hợp

lý

Trên cơ sở các nghiên cứu về lý thuyết Chuẩn công suất cao tần như đã trình bày ở Chương 1, ứng dụng phương pháp đo trực tiếp của Juroshek, trong chương này tôi phát triển phương pháp xác định hệ số hiệu chuẩn đầu đo công suất cao tần tại Viện Đo lường Việt Nam

2.2 Phương pháp hiệu chuẩn

2.2.1 Phạm vi áp dụng

Phương pháp này trình bày cách xác định hệ số hiệu chuẩn của các đầu đo công suất với giải tần số từ 100 kHz dến 18 GHz

2.2.2 Giải thích từ ngữ

a Hiệu suất ảnh hưởng

Công suất đo được trên máy đo công suất là kết quả nhận được từ các tương đương vật lý đến năng lượng sóng điện từ trường tới Tuy nhiên, có một số khác nhau khi truyền giữa dòng phân bố của công suất phát chuẩn RF và tín hiệu dc trong đầu đo công suất và suy hao trong quá trình truyền Do đó, hiệu suất ảnh hưởng được định nghĩa bởi công thức (2.1)

Trong đó: Psub: giá trị công suất thay thế DC

Pgl : giá trị công suất tới đến đầu đo công suất

Hiệu suất ảnh hưởng của máy đo công suất thay đổi bởi tần số, độ không tuyến tính đối với biên độ của đầu đo công suất [1]

b.Hệ số hiệu chuẩn

Trong đo công suất, ta có công suất đến tải Zo, khi đầu đo công suất có hệ số phản xạ Γl, một phần của tỉ lệ là Γ2 được phản xạ từ đầu đo và phần còn lại được hấp thụ trong đầu đo Do đó ta có mối liên hệ giữa hiệu suất ảnh hưởng và hệ số phản xạ Γl với nhau, hệ số hiệu chuẩn được định nghĩa bởi công thưc (2.2)

2.2.3 Phương tiện hiệu chuẩn

Trong quá trình hiệu chuẩn ta sử dụng các thiết bị như sau:

-Máy tạo sóng, phát mức chuẩn;

-Phân nhánh định hướng công suất;

-Hệ đo công suất Tegam;

-Vôn mét điện tử;

-Đầu đo công suất chuẩn;

-Máy phân tích mạng và bộ kit hiệu chuẩn

2.2.4.Tiến hành hiệu chuẩn

2.2.4.1 Đo hệ số phản xạ

Sơ đồ khối được thể hiện trong hình (2.1)

- Đo hệ số phản xạ của đầu đo công suất chuẩn (STD1, SDT2) và đầu đo công suất cần hiệu chuẩn (UUT) sử dụng máy phân tích mạng (VNA)

-Tiến hành nối cổng vào 1 và cổng hiển thị 3 của bộ phân nhánh định hướng công suất tương ứng đến cổng 1 và 2 của VNA để đo hệ số phản xạ tương đượng

- Đo các tham số S11 và S12 khi đo cổng 2 của bộ phân nhánh định hướng công suất được xác định với tải 50 , xác định tải của bộ Kit hiệu chuẩn Hệ số phản xạ của nguồn tương đương được đưa ra trong công thức (2.3)[2]

(

)

)

Trong đó: Δe = e00 e11 – (e10 e01)

Ở đây e00, e11 và e10 e01 là các hằng số phức được xác định bởi sự truyền và

sự suy hao trong bộ phân nhánh định hướng công suất

2.2.4.2 Đo hệ số hiệu chuẩn bằng phương pháp đo trực tiếp

-Các thiết bị được đấu nối như trong sơ đồ hình (2.2), sử dụng cáp và các đầu nối chuyển đổi tương đương Trong quá trình hiệu chuẩn phải đảm bảo các thiết bị không bị lỏng trong suốt quá trình đo Đầu tiên xác định mức điện trở của máy đo công suất là 200 , điều khiển điện trở của đầu đo công suất là 200  Hiệu chỉnh trên máy hiện sóng tần số và mức phát đến khi công suất đầu ra tại cổng đo của bộ phân nhánh định hướng công suất là (9 mW  10 mW)

Hình 2.1: Sơ đồ xác định hệ số phản xạ

Hình 2.2: Sơ đồ xác định hệ số hiệu chuẩn

-Sau khi nối đầu đo công suất chuẩn 1 (STD1) vào bộ phân nhánh định hướng công suất thì đo công suất ra (PS1) và tại cổng hiện thị (PMS1)

-Thay đầu đo công suất chuẩn 1 (STD1) bằng đầu đo công suất chuẩn 2 (STD2) và sau đó đo công suất ra (PS2) và tại cổng hiển thị (PMS2)

- Thay đầu đo công suất chuẩn 2 (STD2) bằng đầu đo công suất cần hiệu chuẩn (DUT) và sau đó đo công suất ra (PD) và tại cổng hiển thị (PMD)

Từ đó ta xác định được hiệu suất ảnh hưởng (ηe) và hệ số hiệu chuẩn KD:

   