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Erfolgreicher Vergleich zwischen leitungsgebundener und Freiraum-Leistungsmessung im Millimeterwellenbereich

05.03.2019

Bild 1: Quasi-optischer Messaufbau

Im Frequenzbereich zwischen 80 GHz und 110 GHz wurde erstmals ein Messvergleich zwischen der leitungsgebundenen Hochfrequenzleistungsmessung im Rechteckhohlleiter einerseits und der Leistungsmessung eines gaußverteilten Freistrahls andererseits durchgeführt. Dabei wurde basierend auf den Messunsicherheiten der jeweiligen Leistungsdetektion unter Berücksichtigung der Transmissionsunsicherheit des quasi-optischen Messaufbaus eine sehr gute Übereinstimmung erzielt.

Die rückgeführte Hochfrequenzleistungsmessung erfolgt in koaxialen Wellenleitern und Hohlleitern bis etwa 100 GHz mittels kalorimeterkalibrierter Thermistoren und thermoelek-trischer Sensoren [1]. Bei Freistrahlmessungen werden im Submillimeter- und THz-Bereich neuartige pyroelektrische Detektoren eingesetzt [2]. Sie zeichnen sich durch eine im Bereich 100 GHz bis 5 THz nahezu konstante spektrale Empfindlichkeit aus. Ihre Kalibrierung erfolgt in der PTB mittels optischer Methoden bei Frequenzen oberhalb von 1 THz mit einem Molekül-Gaslaser.

Im Überdeckungsbereich um 100 GHz wurde die Äquivalenz der beiden bzgl. ihrer metrologischen Rückführung völlig unabhängigen Verfahren der absoluten Leistungs-messung nachgewiesen. Der Nachweis gelang in zwei voneinander räumlich getrennten Ebenen eines quasi-optischen Messaufbaus (Bild 1). Dazu wird zunächst die eingestrahlte Leistung Pein in Ebene A durch Anschließen eines Hohlleitersensors bestimmt. In einem zweiten Schritt wird die elektromagnetische Welle über eine Rillenhornantenne R und einen Hohlspiegel S in einen Gaußstrahl transformiert und die Leistung in dessen Strahltaille in Ebene B mittels eines pyroelektrischen Detektors P gemessen. Die zwischen beiden Messebenen auftretenden Dämpfungsverluste wurden durch Transmissionsmessungen an einem spiegelsymmetrisch erweiterten Zweitoraufbau mittels eines vektoriellen Netzwerkanalysators zwischen den Ebenen A und C ermittelt.

Unter Berücksichtigung der Messunsicherheiten der jeweiligen Leistungsmessungen sowie der Transmissionsverluste ergab sich im Frequenzbereich 80 GHz bis 110 GHz eine sehr gute Übereinstimmung beider Verfahren. Der erzielte Äquivalenznachweis eröffnet die vielversprechende Möglichkeit, die Hochfrequenzleistung in höherfrequenten Hohlleiterbändern bis in den THz-Bereich unter Einsatz pyroelektrischer Detektoren als Bezugsnormal rückzuführen.

 

Ansprechpartner:

R. Judaschke, 2.22, E-Mail: Opens window for sending emailRolf.Judaschke(at)ptb.de
A. Steiger, 7.34, E-Mail: Opens window for sending emailAndreas.Steiger(at)ptb.de

 

[1] R. Judaschke, K. Kuhlmann, T. Reichel, W. Perndl:, „Millimeter-Wave Thermoelectric Transfer Standard“, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Jg. 64, Nr. 12, S. 3445-3450, 2015.

[2] A. Steiger, W. Bohmeyer, K. Lange, R. Müller: Opens external link in new windowNovel pyroelectric detectors for accurate THz power measurements, Technisches Messen, Jg. 83, Nr. 6, S. 386-389, 2016.