CN102901867A - 一种单独热路热敏式太赫兹功率探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单独热路热敏式太赫兹功率探头，涉及电磁波功率测量技术，包括太赫兹波导、功率敏感体和热沉基座三部分，功率敏感体是核心，由太赫兹功率吸收器、热路支撑体、两个热敏传感器组成。太赫兹电磁波通过法兰或转接器进入太赫兹波导，被位于该波导内的太赫兹功率吸收器吸收并转化为热量，这热量一边把太赫兹功率吸收器本身加热，一边通过热路支撑体向热沉基座方向传导，使得位于热路支撑体两个不同位置上的两个热敏传感器，测量出它们所处位置之间的温度差。在达到热平衡的条件下，该温度差与太赫兹电磁波功率成正比。通过向第一热敏传感器注入电功率的方式对功率探头定标。本发明的太赫兹功率探头，解决了太赫兹波的功率测量问题。

Description

一种单独热路热敏式太赫兹功率探头

技术领域

本发明涉及电磁波功率测量技术领域，是一种单独热路热敏式太赫兹功率探头。

背景技术

电磁波的功率测量是一切电磁波应用的基础。例如，雷达就是通过比较检测发射电磁波和目标反射电磁波的差异而实现雷达功能的，这种检测包括功率测量。其实，一切探伤或成像应用都需要这种检测。此外，一切电磁设备的研制过程及其性能评价都需要这种测量。

最近十年来，国内外都出现了对THz技术进行研究的热潮，同时出现了巨大的应用需求。第一种应用在天文学领域，由于许多遥远的星体都辐射THz频段的电磁波，以被动方式观察星体辐射的射电天文望远镜需要THz电磁波源作为本振源。  第二种运用在物质特性研究领域，因为许多物质的吸收峰在THz频段，因此THz电磁波在物质特性、化学动力学及原子或分子内能量划分与能量流动问题的研究方面可能大有机会。例如，利用THz传输和远红外频谱仪可以研究溶解的HCI的旋转吸收谱。第三种应用是成像与探测，第四中应用是通信。如，2006年日本NTT公司研制成功了能覆盖1.5公里的THz通信演示系统。

此外，THz电磁波具有很强的军事应用背景。例如，美国已经研制成功工作于W波段的星载成像雷达和工作在0.225THz机载成像雷达系统。又如，欧美国家还正在开展多个关于THz通信、成像及材料检测方面的项目，这些项目都具有军事应用或反恐应用背景。

近十年来，人们对THz领域的研究在国内外都引起了极高的热情，同时得到了各国政府的高度重视和大力支持。世界上已经有100多个研究组织开展了THz电磁波相关领域研究，涉及美国、日本、德国、澳大利亚、韩国、中国台湾和中国大陆等。

但是，在太赫兹电磁波的功率检测技术还仅仅处于起步阶段，虽然国际上正在努力获得基本的检测设备，但目前国内尚无一款太赫兹检测设备可供使用。因此，太赫兹电磁波的功率检测技术成了目前方兴未艾的太赫兹应用研究及太赫兹设备研究中首先急需攻克的难关。

同微波、毫米波一样，太赫兹波也是一种电磁波，只是频率更高或波长更短而已。因此，人们自然会设想把微波、毫米波的功率测量技术推广到太赫兹频域。但事实这种设想受到现有器件和技术水平的限制。比如，在毫米波以下频段，电磁波的功率测量广泛采用检波器进行。而作为检波器的核心的二极管，只能在其极限工作频率以下起到检波作用。由于二极管的极限工作频率的限制，目前还没有采用二极管检波器的太赫兹频域的功率计。

事实上，目前太赫兹波的功率测量目前还是一个远未完全得到解决的问题。根据现有的技术看，太赫兹波的电场或功率测量测量起码有三种技术可供选择。第一种仍然是采用检波器的形式，但这种形式取决于新的检波器件。最近报道日本发明了一种基于GaAs场效应管的太赫兹检波器。第二种技术是通过非线性晶体把太赫兹波上变频到光波频域，然后采用光谱计进行测量。第三种技术采用热敏式测量，即所测量的是太赫兹波转换成热量后的功率。无论采用何种技术，大多数的测量都是针对空间中某一个区域的太赫兹波进行的，因而所得结果并非总共率，因此不适宜于用来对太赫兹返波管、太赫兹行波管等太赫兹源的总功率进行测量和评价。

目前国外开展太赫兹电场或功率检测方面研究的情况简述如下。在欧洲航天局(ESA)的资金支持下，STAR Tiger开展了500GHz微机械阵元探测器及使用该阵元的成像系统的研究；在欧盟(EU)的资金支持下，WANTED开展了1-10THz的量子级联激光(QCL)源及探测器的研究，THzBRIDGE开展了THz生物医学成像系统和光谱分析仪系统的应用研究；此外在欧盟委员会(EC)的资金支持下，Teravision开展了THz时域光谱仪的研究。

发明内容

本发明的目的是公开一种单独热路热敏式太赫兹功率探头，采用单独热路热敏测量方法测量太赫兹电磁波的功率，以满足当前太赫兹应用研究的需要。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种单独热路热敏式太赫兹功率探头，其包括太赫兹波导、功率敏感体和热沉基座三部分，其中，太赫兹波导左端设有连接件，连接件与太赫兹电磁波通道固接，且太赫兹电磁波通道与太赫兹波导中心通道相通连；

功率敏感体包括太赫兹功率吸收器、波导支撑体、热敏传感器、热路支撑体，其中，太赫兹功率吸收器、热路支撑体呈棍状，位于筒形波导支撑体内，太赫兹功率吸收器右端与热路支撑体左端固接，两者成一线，太赫兹功率吸收器、热路支撑体、波导支撑体三者共一中心轴，太赫兹功率吸收器左端为锥状，伸出于波导支撑体左端；热路支撑体外周上顺序缠绕有第一、第二热敏传感器，两热敏传感器之间有间隙，第一、第二热敏传感器各自两端经引线穿过波导支撑体侧壁与外电路电连接；

波导支撑体通道内左端设有板状绝热支撑结构，绝热支撑结构有通孔，通孔套设于太赫兹功率吸收器与热路支撑体固接部，并固接，绝热支撑结构外缘固接于波导支撑体内壁；

波导支撑体水平设置，左端与太赫兹波导右端固接，太赫兹功率吸收器左端锥状伸入太赫兹波导内；

块状热沉基座的左侧面设有与波导支撑体右端、热路支撑体右端相适配的凹槽，波导支撑体右端、热路支撑体右端分别固接于凹槽内，与热沉基座左侧面正交。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其所述太赫兹功率吸收器左端锥状伸入太赫兹波导内，位于太赫兹波导内中心轴上。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其所述第一、第二热敏传感器各自两端经引线穿过波导支撑体侧壁，是各引线穿过波导支撑体侧壁上相应的通孔，在引线与通孔间设有热敏传感器绝缘子，热敏传感器绝缘子固接于通孔和波导支撑体外侧壁。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其所述波导支撑体左端与太赫兹波导右端固接，或太赫兹波导右端面固接于绝热支撑结构左侧面。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其所述固接，其方法为胶结、烧结、焊接或螺接方法其中之一，或它们的组合。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其所述太赫兹波导、波导支撑体、热沉基座，为无氧铜、铝的金属材料；太赫兹吸收器，为掺C BeO、掺C Al₂O₃、或掺C AlN的陶瓷材料；引线，为Ni、mo的金属材料；热路支撑体，为BeO、Al₂O₃、或AlN陶瓷材料，并在两端金属化；热敏传感器，为W、Mo、Pt的金属材料；热敏传感器绝缘子，为聚四氟乙烯、有机玻璃、电木、磺胺材料或Al₂O₃陶瓷材料。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其所述螺接方法，为螺孔、螺栓连接。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其是利用功率敏感体中的第一、第二热敏传感器之间的温度差计算太赫兹波的功率；在热平衡条件下，推导得出如下公式：

P＝ηΔT                       (1)

其中，P是在热路支撑体上传导的热流功率，ΔT是第一、第二热敏传感器之间的温度差；式中η由下式给出：

η＝kS/L                             (2)

其中，k是热路支撑体的导热系数，L是两个热敏传感器之间的距离，S是热路支撑体的横截面积。

所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其工作流程为：

a)首先，向第一热敏传感器注入电功率，并同时测出第一、第二热敏传感器之间相应的温度差，得到一个定标功率-温度差的定标函数；

b)实测太赫兹波功率时，太赫兹电磁波通过法兰或转接器进入太赫兹波导，被位于该波导内的太赫兹功率吸收器吸收并转化为热量；

c)这些热量一边把太赫兹功率吸收器本身加热，一边通过热路支撑体向热沉基座方向传导，造成热路支撑体上处于两个不同位置的第一、第二热敏传感器之间产生温度差；

d)第一、第二热敏传感器测量出的温度差与太赫兹电磁波功率成正比；

e)在达到热平衡的条件下，利用a)步的定标函数，通过查表并结合线性插值或抛物线插值的方法计算出太赫兹波功率。

本发明的单独热路热敏式太赫兹功率探头，解决了太赫兹波的功率测量问题。

附图说明

图1为本发明的一种单独热路热敏式太赫兹功率探头的原理及结构示意图；

图2为本发明中的太赫兹波导及波导支撑体组件结构示意图；

图3为本发明中的功率敏感体示意图；

图4为本发明中的热沉基座示意图；

图5为本发明的波导支撑体组件示意图；

图6本发明的热路支撑体组件示意图；

图7本发明的热沉组件示意图；

图8本发明的探头组件示意图。

图式中的标号：

1-太赫兹波导法兰或转接器                2-太赫兹波导

3-波导支撑体                            4-热敏传感器绝缘子

5-热敏传感器引线                        6-热沉基座

7-太赫兹功率吸收器                      8-热敏传感器1

9-热敏传感器2                           10-热路支撑体

11-绝热支撑结构                         12-波导支撑体组件

13-功率敏感体组件                       14-热路支撑体组件

15-热沉组件                             16-探头组件

具体实施方式

本发明的一种单独热路热敏式太赫兹功率探头，根据功能把该功率探头区分为太赫兹波导(包括转接器)及支撑体功能块、功率敏感体、热沉基座三大部分。其中太赫兹波导(包括转接器)及支撑体功能块由太赫兹波导(包括转接器)及支撑体组件组成，功率敏感体由太赫兹功率吸收器、热路支撑体、两个热敏传感器和热沉基座组成。太赫兹波导(包括转接器)及其支撑体的功能主要是导入太赫兹能量；功率敏感体的功能是测量由太赫兹波能量转换而成的热流功率；热沉基座一方面作为来自功率敏感体的热量吸收器，另一方面作为整个功率探头的安装基座。

在功率敏感体中，太赫兹功率吸收器和热路支撑体相互焊接，再焊接在热沉基座上。相互焊接的太赫兹功率吸收器和热路支撑体构成了功率探头的主要热传导通路，为了增强功率探头的机械强度，可以使用绝热材料对上述热通路进行支撑。另外，在热路支撑体的两个不同位置上附着有两个热敏传感器。该探头通过测量两个热敏传感器给出的温度差而计算太赫兹波的功率。

该探头的工作原理：太赫兹电磁波通过法兰或转接器进入太赫兹波导，被位于该波导内的太赫兹功率吸收器吸收并转化为热量，这些热量一边把太赫兹功率吸收器本身加热，一边通过热路支撑体向热沉基座方向传导。热沉基座的作用除了支撑太赫兹功率吸收器、热路支撑体和两个热敏传感器外，更主要的是吸收经由热路支撑体传导过来的热量，并且保持恒温(室温)。由于温度差是在热传导路径上存在热功率流的必要条件，因此，当太赫兹电磁波转换而成的热量经由热路支撑体传导时，热路支撑体的不同位置的温度将会不同。这样，位于热路支撑体的两个不同位置上的两个热敏传感器可以测量出各自位置上的温度，从而能够计算两个位置的温度差。在达到热平衡的条件下，用热学理论可以说明这个温度差与经由热路支撑体传导的热流功率成正比。又由于该热流功率完全来自太赫兹波的电磁功率，因此该温度差即是与太赫兹电磁波功率成正比。

在热平衡条件下，可以推导得出如下公式：

P＝ηΔT                                 (1)

其中P是在热路支撑体上传到的热流功率，ΔT是两个热敏传感器测出的温度差。η由下式给出：

η＝kS/L                    (2)

其中k是热路支撑体的导热系数，L是两个热敏传感器之间的距离，S是热路支撑体的横截面积。

可以通过向热敏传感器1注入电功率的方式对功率探头定标。设向热敏传感器1注入的电功率为Pe，该热功率也必须与太赫兹电磁波产生的功率一样，必须经过热路支撑体传导到热沉基座，因此Pe同样满足公式(1)。因此，我们可以改变Pe，并且针对每一个Pe值，测出相应的ΔT，从而得到一个Pe-ΔT的定标函数。当用功率探头实测太赫兹波功率时，利用上述定标函数，通过查表并结合插值的方法计算太赫兹波功率。

本发明的一种单独热路热敏式太赫兹功率探头，其制作、装配方法包括：

(1)选定太赫兹波导2的类型，并确定其尺寸。可以根据加工条件和现有技术成熟度等具体情况，选取圆波导或矩形波导作为太赫兹波导2，也可以选取其他波导形式。根据所需测试的电磁波频段，选择太赫兹波导2的尺寸。比如，W波段的巨型波导标准尺寸为2.54mm×1.27mm。对于更高频段的电磁波，目前尚无国际公认的标准尺寸。但是，可以用W波段的波导标准尺寸为基准，用中心频率波长之比为比例系数，从而计算所需要的频段的波导尺寸。

(2)确定太赫兹吸收器的形状和尺寸。采用CST、HFSS等商用大型电磁计算软件，或选用其他任何有效的设计软件，或自行编写新的设计软件，以计算上述功率探头的性能。我们所关心的主要性能可以由单端口反射系数或注波比来表征。反射系数以越接近0越好，驻波比越接近1越好。根据本步骤的计算，确定太赫兹吸收器的形状和尺寸。

(3)根据设计预先设定的最大测试功率决定热路支撑体10的材料、形状和尺寸。最大测试功率在太赫兹吸收器7上产生最高温度。如果仅仅考虑作为太赫兹吸收器7的材料的耐高温性能而言，许多材料都能耐受1000℃以上的高温，如Al₂O₃陶瓷材料的熔点就在1700℃以上，在1000℃能够稳定工作。但是，本发明的功率探头，不希望太赫兹吸收器7上的温度过高，否则热量会通过热辐射发射出去，这部分能量将不再通过热路支撑体10进行传导，从而导致测量误差。因此，本发明的太赫兹吸收器7工作在300℃以下。这个要求是决定热路支撑体10的材料、形状和尺寸的主要依据，这是因为，根据热传导基本定理可知，对于一个固定的最大测试功率，如果热路支撑体10采用的导热系数更大的材料、或增加热路支撑体10的横截面积，或缩短热路支撑体10的长度，都可以使太赫兹吸收器7上的温度降低。如果采用相反的选择，则会使太赫兹吸收器7上的温度升高。

当然，在最大检测功率条件下，太赫兹吸收器7上的温度也并非越低越好，因为这同时意味着热敏传感器8和热敏传感器9所检测出的温度差的降低，也就意味检测灵敏度的降低。因此，所希望的检测灵敏度成为决定热路支撑体10的材料、形状和尺寸的另一个决定因素。为了提高灵敏度，设计中可以考虑太赫兹吸收器7上的最高温度达到100℃以上。总之，设计选择太赫兹吸收器7上的工作温度在100℃～300℃。

(4)确定热敏传感器类型及它们之间的安装距离。本发明的功率探头的灵敏度除了取决于赫兹吸收器7上的最高温度以外，还取决于热敏传感器8和热敏传感器9的温度敏感性能，以及他们之间的距离。可以选用任何灵敏度高、工作稳定性好的高质量热敏传感器。另外，它们之间的距离越远，它们所测出的温度差越大，意味着灵敏度越高。但是，它们之间的距离也不能无限制加长，因为它们之间的距离的加长意味着必须加长热路支撑体10的长度，而上面已经说过，这将会导致太赫兹吸收器7上的温度的升高。

(5)选用具有良好加工性能和导电性能的无氧铜等金属材料，分别加工制造太赫兹波导2、波导法兰或转接器1(可以把太赫兹波导2和波导法兰或转接器1加工成一体)、波导支撑体3和热沉基座6，备用。

(6)采用聚四氟乙烯、有机玻璃、电木或磺胺材料等加工热敏传感器绝缘子4，也可以采用Al₂O₃陶瓷材料或其他绝缘材料以任何方法制造热敏传感器绝缘子4。

(7)采用Ni、mo等材料以任何方式加工热敏传感器引线5。

(8)把波导支撑体3、热敏传感器绝缘子4和热敏传感器引线5组装成波导支撑体组件12，如图5所示。组装时，可以在波导支撑体3和热敏传感器绝缘子4及热敏传感器引线5实施胶结。

(9)采用掺C BeO陶瓷材料、掺C Al₂O₃陶瓷材料、或掺C AlN陶瓷材料制造太赫兹吸收器7；

(10)采用BeO陶瓷材料、Al₂O₃陶瓷材料、AlN陶瓷材料或其他绝缘材料制造热路支撑体10，并在热路支撑体10的两端金属化。

(11)采用适当的模夹具，用具有较高电阻温度系数的金属丝在热路支撑体10外表面绕制热敏传感器8和热敏传感器9，并加热定型。绕制热敏传感器8和热敏传感器9的金属材料可以使W、Mo、Pt等金属材料。

(12)为了加强热敏传感器8和热敏传感器9与热路支撑体10之间的结合强度，可以在完成完成上述步骤后，在热敏传感器8和热敏传感器9周围涂抹Al₂O₃浆料，自然风干后进一步进行烧结处理。形成的组件标记为热路支撑体组件14，如图6所示。

(13)借助适当的模夹具，把热路支撑体组件14和太赫兹吸收器7焊接起来。形成的组件既为功率敏感体13，如图3所示。

(14)借助适当的模夹具，把功率敏感体13与热沉基座6焊接起来。形成的组件称为热沉组件15，如图7所示。

(15)把波导支撑体组件12装配到热沉组件15上，结合方式可以是胶结、锡焊或其他焊接方式。随后把绝热支撑结构11装配到波导支撑体组件12内，并实施胶结，形成探头组件16，如图8所示。

(16)可以在波导支撑体组件12和热沉组件15的结合部位增加螺孔及定位台阶等结构，然后采用螺钉把波导支撑体组件12和热沉组件15装配起来(图中未示出)。

(17)把太赫兹波导2装配到探头组件16上，结合方式同样可以是胶结、锡焊或其他焊接方式，装配完成，得成品。

(28)可以在太赫兹波导2和探头组件16的结合部位增加螺孔及定位台阶等结构，然后采用螺钉把太赫兹波导2和探头组件16装配起来(图中未示出)，装配完成，得成品。

Claims (9)

1.一种单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，包括太赫兹波导、功率敏感体和热沉基座三部分，其中，太赫兹波导左端设有连接件，连接件与太赫兹电磁波通道固接，且太赫兹电磁波通道与太赫兹波导中心通道相通连；

功率敏感体包括太赫兹功率吸收器、波导支撑体、热敏传感器、热路支撑体，其中，太赫兹功率吸收器、热路支撑体呈棍状，位于筒形波导支撑体内，太赫兹功率吸收器右端与热路支撑体左端固接，两者成一线，太赫兹功率吸收器、热路支撑体、波导支撑体三者共一中心轴，太赫兹功率吸收器左端为锥状，伸出于波导支撑体左端；热路支撑体外周上顺序缠绕有第一、第二热敏传感器，两热敏传感器之间有间隙，第一、第二热敏传感器各自两端经引线穿过波导支撑体侧壁与外电路电连接；

波导支撑体通道内左端设有板状绝热支撑结构，绝热支撑结构有通孔，通孔套设于太赫兹功率吸收器与热路支撑体固接部，并固接，绝热支撑结构外缘固接于波导支撑体内壁；

波导支撑体水平设置，左端与太赫兹波导右端固接，太赫兹功率吸收器左端锥状伸入太赫兹波导内；

块状热沉基座的左侧面设有与波导支撑体右端、热路支撑体右端相适配的凹槽，波导支撑体右端、热路支撑体右端分别固接于凹槽内，与热沉基座左侧面正交。

2.如权利要求1所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，所述太赫兹功率吸收器左端锥状伸入太赫兹波导内，位于太赫兹波导内中心轴上。

3.如权利要求1所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，所述第一、第二热敏传感器各自两端经引线穿过波导支撑体侧壁，是各引线穿过波导支撑体侧壁上相应的通孔，在引线与通孔间设有热敏传感器绝缘子，热敏传感器绝缘子固接于通孔和波导支撑体外侧壁。

4.如权利要求1所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，所述波导支撑体左端与太赫兹波导右端固接，或太赫兹波导右端面固接于绝热支撑结构左侧面。

5.如权利要求1、3或4所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，所述固接，其方法为胶结、烧结、焊接或螺接方法其中之一，或它们的组合。

6.如权利要求1或3所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，所述太赫兹波导、波导支撑体、热沉基座，为无氧铜、铝的金属材料；太赫兹吸收器，为掺C BeO、掺C Al₂O₃、或掺C AlN的陶瓷材料；引线，为Ni、mo的金属材料；热路支撑体，为BeO、Al₂O₃、或AlN陶瓷材料，并在两端金属化；热敏传感器，为W、Mo、Pt的金属材料；热敏传感器绝缘子，为聚四氟乙烯、有机玻璃、电木、磺胺材料或Al₂O₃陶瓷材料。

7.如权利要求5所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，所述螺接方法，为螺孔、螺栓连接。

8.如权利要求1所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，是利用功率敏感体中的第一、第二热敏传感器之间的温度差计算太赫兹波的功率；在热平衡条件下，推导得出如下公式：

P＝ηΔT                  (1)

其中，P是在热路支撑体上传导的热流功率，ΔT是第一、第二热敏传感器之间的温度差；式中η由下式给出：

η＝kS/L                           (2)

其中，k是热路支撑体的导热系数，L是两个热敏传感器之间的距离，S是热路支撑体的横截面积。

9.如权利要求8所述的单独热路热敏式太赫兹功率探头，其特征在于，其工作流程为：

a)首先，向第一热敏传感器注入电功率，并同时测出第一、第二热敏传感器之间相应的温度差，得到一个定标功率-温度差的定标函数；

b)实测太赫兹波功率时，太赫兹电磁波通过法兰或转接器进入太赫兹波导，被位于该波导内的太赫兹功率吸收器吸收并转化为热量；

c)这些热量一边把太赫兹功率吸收器本身加热，一边通过热路支撑体向热沉基座方向传导，造成热路支撑体上处于两个不同位置的第一、第二热敏传感器之间产生温度差；

d)第一、第二热敏传感器测量出的温度差与太赫兹电磁波功率成正比；

e)在达到热平衡的条件下，利用a)步的定标函数，通过查表并结合线性插值或抛物线插值的方法计算出太赫兹波功率。

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