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Kalibrierung von HF-Leistung bis 170 GHz

22.11.2023

Die PTB ist als erstes Nationales Metrologieinstitut (NMI) in der Lage, Sensoren zur Messung von Hochfrequenzleistung (HF-Leistung) bis zu einer Frequenz von 170 GHz zu kalibrieren. Diese Dienstleistung wurde in Kooperation mit der nationalen Industrie und im europäischen Forschungsprojekt Opens external link in new windowTEMMT (Laufzeit 2019 bis 2022) aufgebaut.

Nach mehreren Test- und Vergleichsmessungen in den Jahren 2020 und 2021 fand Anfang 2022 die erste Kalibrierung für einen Industriekunden statt, und bis Ende 2023 wurde die Zahl der Kalibrierungen auf 13 erhöht. Davon waren vier für die Industrie und neun PTB-intern.

Die auf SI-Einheiten rückgeführte Messung (Kalibrierung) der Größe HF-Leistung erfolgt in der PTB seit über 50 Jahren auf Basis von Mikrokalorimetern. In anderen NMIs werden zum Teil andere kalorimetrische Messprinzipien eingesetzt, aber die Mehrzahl nutzt sogenannte twin microcalorimeter (Schema siehe Bild).

Anders als bei anderen Messgrößen kann ein Mikrokalorimeter nicht kommerziell erworben werden. Die Messplätze der PTB sind deshalb allesamt Eigenbauten. Im Moment verfügt die PTB über sechs Mikrokalorimetermessplätze für bis zu 13 unterschiedliche Anschlusskonfigurationen (Koaxialverbinder und Hohlleiter) und deckt damit den Frequenzbereich von wenigen MHz bis 170 GHz lückenlos ab.

Als Transfernormale kamen in der Vergangenheit ausschließlich sogenannte Thermistor-Sensoren in Frage. Diese verfügen über gute metrologische Eigenschaften, haben aber auch Nachteile (beispielsweise bezüglich Messdynamik, -geschwindigkeit und Bedienerfreundlichkeit) und werden daher in der Industrie kaum mehr eingesetzt. Seit etwa zehn Jahren kommen deshalb vermehrt thermoelektrische Sensoren zum Einsatz, wobei es im Frequenzbereich oberhalb von 110 GHz tatsächlich keine Alternativen gibt.

Für die PTB-Kalibrierung im Frequenzbereich 110 GHz bis 170 GHz werden Sensor-Prototypen eingesetzt, die von einem deutschen Messgerätehersteller entwickelt wurden. Basierend auf dieser Rückführung können prinzipiell aber alle Leistungsmesser mit einem genormten Anschlussmaß vermessen werden. Acht der insgesamt 13 Kalibrierungen der PTB entfallen auf kommerziell verfügbare Messgeräte, zum Teil ergänzt mit benötigten Anschlussadaptern, und fünf auf Prototyp-Sensoren. Letztere sind im Moment die einzig verfügbaren Transfernormale, die direkt in einem Mikrokalorimeter kalibriert werden können und deshalb die geringste Messunsicherheit ermöglichen.

 

 

Schematischer Aufbau eines sogenannten twin microcalorimeter.

 Bild: Schematischer Aufbau eines sogenannten twin microcalorimeter.

 

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