CN105425026A - 一种新型密封恒温双负载波导量热计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型密封恒温双负载波导量热计，该装置包括密封筒、密封筒盖、工作链路、参考链路、波导口、热电堆；所述工作链路和参考链路分别通过密封筒盖上的密封圈实现密封；所述密封筒盖在工作链路一侧依照波导尺寸开有2mm标准波导口，用于输入2mm频率的波导。所述参考链路，用于为工作链路提供温度参考；所述工作链路，用于输入直流功率和微波功率，改变热电堆随温度变化后的热电势；根据参考链路的温度值得到温差热电势后计算得出微波功率值。本发明所述技术方案，采用双负载量热技术，由恒温水槽实现量热计的温度控制，为2mm量热式功率标准，功率电平为1mW，解决了110GHz～170GHz频率范围内功率参数的量传需求。

Description

一种新型密封恒温双负载波导量热计

技术领域

本发明涉及一种量热计。更具体地，涉及一种新型密封恒温双负载波导量热计。

背景技术

功率是微波毫米波领域最基本的参数之一，也是表征微波毫米波信号特征的一个重要参数。因此，各国的微波无线电标准实验室很早就开展了功率标准的研建工作。微波毫米波小功率标准的实现方式主要有两种：量热计和微量热计。量热计是一种测量负载吸收功率后温度变化的仪器，根据直流功率和微波功率所引起温度变化的不同得出被测微波功率的量值。其具有测量准确度高、可过载能力强、动态范围大、阻抗匹配好等优点，同时也存在着结构复杂、时间常数大(即测量时间长)、对环境温度及配套计量设备稳定性要求高等缺点。

传输线和接头形式的多样化，除了造成机械连接的复杂性之外，对电磁波传输的电气性能也会有所影响。因此微波功率标准的研制也需要考虑这些方面的影响。根据传输线形式的不同，现有的量热计可以分为波导量热计和同轴量热计。而每类传输线根据频段不同、接头形式不同或截面尺寸不同，还可以进行细分。根据量热计吸收功率负载的不同，有单负载量热计和双负载量热计。单负载量热计存在一些技术缺陷，需要大量的工作来弥补；而双负载量热计相对来讲结构简单、关键器件容易实现、分析评估理论完善。

微量热计是针对量热计的不足之处，采用同样的热效应原理，而在测量方法有所不同的另一种类型的量热计。微量热计将测辐射热式功率座放入量热计中作为量热体，在确定其有效效率后，可以将其拿出来作为传递标准使用。微量热计综合了量热计和测辐射热式功率座的特点，具有测量准确度高、时间常数小(测量时间短)等优点。但微量热计法要求有可用的测辐射热式功率座，目前国内市场在大部分频段都无法满足此要求，因此微量热计法无法实现。

随着毫米波技术的飞速发展及广泛应用，对2mm频段(110GHz～170GHz)小功率参数的计量需求日益增加，而我国目前尚无该频段的毫米波小功率标准。

因此，需要提供一种新型密封恒温双负载波导量热计，作为2mm量热式小功率标准装置的主标准，满足110GHz～170GHz频段内毫米波小功率参数的量值溯源需求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种新型密封恒温双负载波导量热计，以解决现有功率标准装置频率范围不足的问题，满足110GHz～170GHz频段内毫米波小功率参数的量值溯源需求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种密封双负载波导量热计，该装置包括密封筒和密封筒盖，所述该装置进一步包括：工作链路、参考链路、波导口、热电堆；

所述工作链路和参考链路分别通过密封筒盖上的密封圈实现密封；

所述密封筒盖在所述工作链路一侧依照波导尺寸开有2mm标准波导口，用于输入2mm频率的波导；

所述参考链路，用于为所述工作链路提供温度参考；

所述工作链路，用于输入直流功率和微波功率，改变所述热电堆随温度变化后的热电势；

根据所述参考链路的温度值得到温差热电势后计算得出微波功率值。

优选的，所述工作链路包括功率输入端、工作负载；

所述工作负载，用于输入直流功率改变热电堆的温度，并根据所述参考链路的温度值得到温差热电势；

所述功率输入端，用于输入微波功率改变热电堆的温度，并根据述参考链路的温度值得到温差热电势。

优选的，所述工作链路进一步包括工作隔热波导段；

所述工作隔热波导段，两端分别与所述密封筒盖一端和工作负载一端连接，用于传输微波毫米波信号，同时隔绝量热计内外的热量传递。

优选的，所述该装置进一步包括恒温水槽；

所述恒温水槽，用于保持测试环境的温度稳定，实现对所述波导量热计的温度控制。

5、一种基于双负载波导量热计的微波频率的测量方法，所述该方法包括：

S1、将所述波导量热计放置在恒温水槽中，对恒温水槽控温，稳定密封筒的温度；

S2、对波导量热计的工作负载端输入大小为P_DC的直流功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，测得波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势为V_DC；

S3、关闭所述工作负载端直流功率的输入，待热电堆输出热电势达到稳定后，即在t₂时，得到波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势V_DC0；

S4、对波导量热计功率输入端输入待测微波功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势为V_RF；

S5、关闭所述功率输入端微波功率的输入，待热电堆输出热电势达到稳定后，波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势为V_RF0；

S6、所述波导量热计的输入工作负载的微波功率P_RF的计算公式为：

$P_{RF}=\frac{V_{RF}-V_{RF0}}{V_{DC}-V_{DC0}}\·P_{DC}.$

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方法与现有技术相比，有以下优点：

1、采用双负载量热技术，研制出国内首套2mm量热式功率标准，频率范围为110GHz～170GHz，功率电平为1mW，有效效率测量不确定度为1.5％(k＝2)，解决了国内对该频段内小功率参数的量传需求；

2、本发明中的波导量热计传输线形式为WR6，具有热对称性高、密封效果好、动态范围大、阻抗匹配好、测量准确度高等优点；

3、量热计密封恒温结构的设计，在密封筒及筒盖上通过密封圈实现水下密封，由恒温水槽实现量热计的温度控制。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种新型密封恒温波导量热计结构示意图；

图2示出本发明实施例中一种基于新型密封恒温波导量热计的微波功率测量流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种新型密封恒温双负载波导量热计，该装置包括：密封筒1、密封筒盖2、绝缘支撑座3、功率输入端4、参考端5、工作隔热波导段6、参考隔热波导段7、工作负载8、参考负载9、热电堆10、直流加热输入及热电堆输出端11、密封筒密封圈12、功率输入端密封圈13、参考端密封圈14、直流加热输入及热电堆输出端密封圈15。

密封筒1与绝缘支撑3通过螺钉连接；密封筒1与密封筒盖2之间通过密封筒密封圈12实现密封；

功率输入端4与密封筒盖2内的波导通过螺钉连接，并通过功率输入端密封圈13实现密封；

工作隔热波导段6一端与密封筒盖2通过螺钉连接，另一端与工作负载8通过螺钉连接；

参考端5与密封筒盖2通过螺钉连接，并通过参考端密封圈14实现密封；

参考隔热波导段7一端与密封筒盖2通过螺钉连接，另一端与参考负载9通过螺钉连接；

直流加热输入及热电堆输出端11，为直流加热引线和热电堆输出引线端口，与密封筒盖2螺钉连接，通过直流加热输入及热电堆输出端密封圈15实现密封；

热电堆10胶固定于工作负载8和参考负载9之间。

该装置还包括了恒温水槽，恒温水槽用于保持测试环境的温度稳定，为微波直流功率替代的准确温升测量提供理想的恒温环境，实现对量热计的温度控制。

密封筒盖2上依照波导尺寸开有2mm标准波导口。功率输入端4、密封筒盖2、工作隔热波导段6、工作负载8一起组成工作链路。参考端5、密封筒盖2、参考隔热波导段7、参考负载9一起组成参考链路。工作链路和参考链路通过密封筒盖2上的密封筒密封圈12实现密封。直流加热输入及热电堆输出端11为直流加热引线和热电堆输出引线端口，通过筒盖上的密封圈实现密封。

工作负载8用来输入被测的微波功率或直流替代功率，参考负载9不加任何功率，仅仅作为工作负载8的温度参考。当工作负载8输入恒定的功率时，工作负载8和参考负载9之间将产生一个恒定的温差，安装在工作负载8和参考负载9之间的热电堆10将检测出两个量热体之间温度变化所造成的温差电动势E。

波导量热计的密封筒内部的波导传输线具有隔热功能，能够阻止量热体上的热量通过波导连接向外传输，减小量热体上的接触热量损耗，保证直流/微波功率替代的测量准确度。该量热计由于整体双负载结构的对称性，工作负载与参考负载之间的温差热电势随环境温度漂移的特性得到改善，能够适度降低对环境温度稳定度的要求。

在本实施例中假定微波功率和直流功率在同一个负载上有相同的热效应，则可以用微波-直流替代的方法测量微波功率。设置波导量热计中的工作负载和参考负载的热容分别为C₁和C₂，温度分别为θ₁和θ₂，对密封筒的热导分别为G₁和G₂，G_m为两个负载之间的热导，θ₀为密封筒的温度。

当波导量热计上加入直流功率时，由热力学原理可知，工作负载与参考负载之间的温差值θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2=\frac{P_{DC}}{2G_m}(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})---\left(1\right)$

式(1)中，P_DC为直流功率；

τ为热时间常数，计算公式为：

τ＝C₁/2G_m＝C₁R_m/2(2)

式(2)中，R_m为两个量热体负载之间的热阻。

当波导量热计上加入射频功率P_RF时，

$P_{RF}=P_{DC}{K}_g\frac{{\mathrm{\η}}_d+k(1-{\mathrm{\η}}_d)}{{\mathrm{\η}}_{Ls}+k(1-{\mathrm{\η}}_{Ls})}---\left(3\right)$

式(3)中，P_DC为直流功率；K_g为电势比，即为加直流功率时热电堆上产生的热电势E_DC和微波功率时的热电势E_RF之比，即K_g＝E_DC/E_RF；η_d、η_Ls、k是量热计的特性参数，可由实验确定。

如图2所示，本发明公开了一种基于密封恒温双负载波导量热计的微波功率的测量方法，该方法包括：

S1、将该密封恒温双负载波导量热计放置在恒温水槽中，将温度控制在30℃左右，待密封筒温度稳定后开始工作；

S2、对波导量热计工作负载端输入大小为P_DC的直流功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，记录此时的工作负载和参考负载之间的温差热电势V_DC；

S3、关闭直流功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，记录此时的温差热电势V_DC0；

S4、对波导量热计功率输入端输入待测微波功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，记录此时的工作负载和参考负载之间的温差热电势V_RF；

S5、关闭微波功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，记录此时的温差热电势V_RF0；

S6、得到量热计的输入工作负载的微波功率P_RF，其计算公式为：

$P_{RF}=\frac{V_{RF}-V_{RF0}}{V_{DC}-V_{DC0}}\·P_{DC}---\left(4\right)$

S7、按所需的频率点，重复操作步骤S2～S6，即可得到所测量的微波功率。

综上所述，本发明所述技术方案，采用双负载量热技术，研制出国内首套2mm量热式功率标准，频率范围为110GHz～170GHz，功率电平为1mW，有效效率测量不确定度为1.5％(k＝2)，解决了国内对该频段内小功率参数的量传需求；传输线形式为WR6，具有热对称性高、密封效果好、动态范围大、阻抗匹配好、测量准确度高等优点；量热计密封恒温结构的设计，在密封筒及筒盖上通过密封圈实现水下密封，由恒温水槽实现量热计的温度控制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种密封双负载波导量热计，该装置包括密封筒和密封筒盖，其特征在于，所述该装置进一步包括：工作链路、参考链路、波导口、热电堆；

所述工作链路和参考链路分别通过密封筒盖上的密封圈实现密封；

所述密封筒盖在所述工作链路一侧依照波导尺寸开有2mm标准波导口，用于输入2mm频率的波导；

所述参考链路，用于为所述工作链路提供温度参考；

所述工作链路，用于输入直流功率和微波功率，改变所述热电堆随温度变化后的热电势；

根据所述参考链路的温度值得到温差热电势后计算得出微波功率值。

2.根据权利要求1所述的双负载波导量热计，其特征在于，所述工作链路包括功率输入端、工作负载；

所述工作负载，用于输入直流功率改变热电堆的温度，并根据所述参考链路的温度值得到温差热电势；

所述功率输入端，用于输入微波功率改变热电堆的温度，并根据述参考链路的温度值得到温差热电势。

3.根据权利要求2所述的双负载波导量热计，其特征在于，所述工作链路进一步包括工作隔热波导段；

所述工作隔热波导段，两端分别与所述密封筒盖一端和工作负载一端连接，用于传输微波毫米波信号，同时隔绝量热计内外的热量传递。

4.根据权利要求1所述的双负载波导量热计，其特征在于，所述该装置进一步包括恒温水槽；

所述恒温水槽，用于保持测试环境的温度稳定，实现对所述波导量热计的温度控制。

5.一种基于权利要求1所述的双负载波导量热计的微波频率的测量方法，其特征在于，所述该方法包括：

S1、将所述波导量热计放置在恒温水槽中，对恒温水槽控温，稳定密封筒的温度；

S2、对波导量热计的工作负载端输入大小为P_DC的直流功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，测得波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势为V_DC；

S3、关闭所述工作负载端直流功率的输入，待热电堆输出热电势达到稳定后，即在t₂时，得到波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势V_DC0；

S4、对波导量热计功率输入端输入待测微波功率，待热电堆输出热电势达到稳定后，波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势为V_RF；

S5、关闭所述功率输入端微波功率的输入，待热电堆输出热电势达到稳定后，波导量热计中工作负载和参考负载之间的温差热电势为V_RF0；

S6、所述波导量热计的输入工作负载的微波功率P_RF的计算公式为：

$P_{RF}=\frac{V_{RF}-V_{RF0}}{V_{DC}-V_{DC0}}\·P_{DC}.$