Erste Kalibrierungen von Leistungssensoren bis zu einer Frequenz von 170 GHz

In der PTB wurde in den letzten drei Jahren der Frequenzbereich für die Kalibrierung von Hochfrequenzleistungssensoren von 110 GHz auf 170 GHz erweitert. Dies wurde im Rahmen einer Industriekooperation vorangetrieben, gleichzeitig fanden aber auch Forschungen und Vergleichsmessungen im EU-Metrologieforschungsprojekt „TEMMT“ mit anderen Staatsinstituten statt. Seit Anfang 2021 haben bereits mehrere nationale und internationale Kunden Kalibrierungen beauftragt.

Neue Anwendungen aus Forschung und Industrie führen seit langem zu einem Bedarf für präzise Messtechnik bei immer höheren Frequenzen. Richtfunk- und Kommunikationssysteme wie Mobilfunk und drahtlose Computernetzwerke decken bereits seit einiger Zeit Frequenzbereiche bis zu ca. 60 GHz ab. Während die aktuelle Mobilfunknorm 5G noch unterhalb von 100 GHz bleibt, wird die Nachfolgenorm 6G aller Voraussicht nach deutlich oberhalb von 100 GHz gelten. Anwendungen aus dem Bereich Radar oder Radioteleskopie decken bereits heute nahezu den gesamten Millimeterwellenbereich von ca. 30 GHz bis 330 GHz ab oder gehen sogar darüber hinaus, bis in den Submillimeter- bzw. Terahertz-Bereich.

Die Herausforderungen bei rückgeführten Messungen der Größe Hochfrequenzleistung bestehen im Aufbau und der Charakterisierung eines kalorimetrischen Messplatzes (PTB-Eigenbau) sowie der Verfügbarkeit geeigneter Primär- und Transfernormale. Aus letzterem Grund wurden die Frequenzbereichserweiterungen von 50 GHz aufwärts in der PTB in enger Kooperation mit der Industrie durchgeführt, um nicht nur die Einheitenrealisierung und -bewahrung, sondern auch die Weitergabe der Messgröße sicherzustellen.

Erste Messungen an geeigneten Normalen fanden bereits 2019 in der PTB statt, bei denen relative Messunsicherheiten von ca. 3 % erreicht werden konnten (siehe Bild). Weitere Messungen im EU-Vorhaben TEMMT folgten. Im Jahr 2021 hat die PTB die Kalibrierdienstleistung für HF-Leistung bis 170 GHz aufgenommen. Falls Transfernormale zum Einsatz kommen, die nicht direkt mit dem PTB-Mikrokalorimeter-Messplatz kalibriert werden können, erhöht sich die Messunsicherheit durch den im Moment noch nötigen Einsatz eines entsprechenden Transfermessplatzes um etwa ein bis zwei Prozentpunkte.

Bild: Kalibrierergebnis für den verallgemeinerten Wirkungsgrad (links) eines thermoelektrische HF-Sensors, gemessen in einem Mikrokalorimeter (rechts)

Fachbereich 2.2 „Hochfrequenz und Felder“