CN105445538A - 一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计，包括太赫兹功率敏感器，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势；功率指示器，根据第一温差热电势和第二温差热电势计算太赫兹功率的功率值，并显示太赫兹功率的功率值。本发明所述技术方案具有热对称性高、动态范围大、阻抗匹配好、测量准确度高的优点。

Description

一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计

技术领域

本发明涉及功率计。更具体地，涉及一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计。

背景技术

在射频微波频段，功率测量都是基于将高频或微波能量转换成热、力、直流或低频电量等能量形式然后加以测量的，所以一个功率测量仪器总是由感应、吸收并实现能量转换的转换部分及相应的指示器组成的，一般将功率测量仪器称为功率计，将能量转换部分称为功率座、功率探头或功率敏感器，将相应的指示器称为功率指示器。

微波毫米波功率计按原理可分为以下几种：

(1)量热计：量热计是一种测量负载吸收功率后的温度变化的仪器，根据直流功率和被测功率所引起温度变化的不同得出被测功率的量值。量热式功率计因测量准确度较高常被用做功率标准。

(2)测辐射热计：由测辐射热式功率座作为传感器而得名。常用的测辐射热元件有正温度系数的镇流电阻和负温度系数的热敏电阻。测辐射热元件在吸收高频或微波功率时会由于其导致的温升发生电阻的变化，这一变化可以被作为指示器的电桥检测到。目前常见的测辐射热计是热敏电阻功率计，一般只用于微量热计和量值传递。

(3)热电式功率计：利用热电效应(塞贝克、珀耳帖和汤姆森效应)测量功率的功率计被称为热电式功率计或热电偶式功率计，根据热电元件(热电偶)位置的不同可以分为自热式和他热式两种。热电式功率计是最常用的一种商品功率计。

(4)二极管式功率计：利用二极管检波方式测量功率的功率计被称为二极管式功率计。二极管式功率计也是一种最常用的商品功率计。

由于太赫兹频段的特殊性及其迅速发展，该频段内的相关计量测试需求日益增强。功率参数作为微波毫米波频段表征信号特性的基本参数，是其它参数量值溯源和发展的基础，在太赫兹频段亦是如此。目前我国功率参数的校准测试能力只达170GHz，而已建立的标准只达50GHz，远远不能满足太赫兹频段的校准测试需求。

而上述四种功率计在微波毫米波频段均有实现，但在太赫兹频段没有，原因是由于频段较高，所用的波导传输线的物理尺寸较小，因此对工艺要求很高，难以实现。

而太赫兹频段功率的测量也可基于将太赫兹功率能量转换为热、直流或低频电量等能量形式然后加以测量。但测辐射热式功率计、热电式功率计、二极管式功率计由于各种限制，不易实现。

因此，需要提供一种利用太赫兹功率的热效应，测量分别吸收太赫兹功率及直流功率后的温度变化，根据温度变化得出被测功率的量值的用于太赫兹频段的新型量热式功率计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计，解决现有功率参数校准测试能力频段不足的问题，满足太赫兹频段内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：

一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计，包括

太赫兹功率敏感器，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势；

功率指示器，根据第一温差热电势和第二温差热电势计算太赫兹功率的功率值，并显示所述太赫兹功率的功率值。

优选地，所述太赫兹功率敏感器包括波导转换和WR10功率敏感器；

WR10功率敏感器，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据经过波导转换的太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势。

优选地，所述波导转换为WR10-WR5波导转换或WR10-WR3波导转换。

优选地，所述WR10功率敏感器包括工作负载、参考负载和热电堆；

工作负载，根据直流功率产生第一温度值，根据太赫兹功率产生第二温度值；

热电堆，根据第一温度值和参考负载的参考温度产生第一温差热电势，根据第二温度值和参考负载的参考温度产生第二温差热电势。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案具有热对称性高、动态范围大、阻抗匹配好、测量准确度高的优点。本发明所述技术方案频率覆盖200GHz～325GHz，功率电平1mW～10mW，功率测量不确定度5％～10％(k＝2)，具有宽频带、高准确度的特点，可以解决太赫兹频段内功率参数的量值溯源问题。

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示出用于太赫兹频段的新型量热式功率计的示意图。

图2示出WR10功率敏感器的示意图。

图3示出用于太赫兹频段的新型量热式功率计工作时的信号走向图。

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。

由于太赫兹频段较高，所用的波导传输线物理尺寸较小，在工艺实现上有着一定的难度，因此本实施例提供的用于太赫兹频段的新型量热式功率计采用在较低频段的WR10功率敏感器(WR10传输线、75GHz～110GHz)前连接波导转换(WR10-WR5、WR10-WR3)作为太赫兹功率敏感器1来实现太赫兹频段(200GHz～325GHz)的功率测量，同时利用功率指示器4作为指示器并控制用于太赫兹频段的新型量热式功率计的自动化运行。

如图1所示，本实施例提供的用于太赫兹频段的新型量热式功率计，包括感应、吸收并实现能量转换的太赫兹功率敏感器1及相应的功率指示器4，

太赫兹功率敏感器1，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势；

功率指示器4，根据第一温差热电势和第二温差热电势计算太赫兹功率的功率值，并显示所述太赫兹功率的功率值。

其中

太赫兹功率敏感器1包括波导转换2和WR10功率敏感器3，

WR10功率敏感器3，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据经过波导转换2的太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势。

波导转换2为WR10-WR5波导转换或WR10-WR3波导转换。

如图2所示，WR10功率敏感器3包括：

外筒5、内筒6、工作负载7、参考负载8、直流加热输入及热电堆输出端9、功率输入端10、参考端11、工作波导支撑段12、工作隔热波导段13、参考波导支撑段14、参考隔热波导段15、热电堆16和绝缘支撑17；

外筒5、内筒6分别通过螺钉与绝缘支撑17连接；

固定于工作波导支撑段12内的工作隔热波导段13一端与功率输入端10通过螺钉连接，另一端与工作负载7通过螺钉连接；

固定于参考波导支撑段14内的参考隔热波导段15一端与参考端11通过螺钉连接，另一端与参考负载8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，与外筒5、内筒6分别胶固定；

热电堆16胶固定于工作负载7和参考负载8之间。

功率输入端10，传输经过波导转换2的太赫兹功率；

工作隔热波导段13，传输经过功率输入端10的太赫兹功率，同时隔绝外筒5、内筒6之间的热量传递；

工作负载7，根据直流功率产生第一温度值，根据太赫兹功率产生第二温度值；

热电堆16，根据第一温度值和参考负载8的参考温度产生第一温差热电势，根据第二温度值和参考负载8的参考温度产生第二温差热电势。

工作负载7用来输入被测的太赫兹功率或直流功率，参考负载8不加任何功率，仅仅作为工作负载7的温度参考。当工作负载7输入恒定的功率时，工作负载7和参考负载8之间将产生一个恒定的温差，安装在工作负载7和参考负载8之间的热电堆16将检测出两个量热体之间温度变化所造成的温差热电势。

结合图2和图3所示，本实施例提供的用于太赫兹频段的新型量热式功率计的基本工作流程为：

首先，信号源控制信号使太赫兹信号源18的输出功率打开，太赫兹功率通过波导转换2进入到太赫兹功率敏感器1的工作负载7内，工作负载7因吸收功率而温度升高。参考负载8因未馈入任何功率，因此温度保持不变。热电堆16将工作负载7和参考负载8之间的温差转换为电压信号，并通过数字电压20表反馈给功率指示器4，关掉太赫兹信号源18功率，工作负载7温度逐渐降低，直到与参考负载8相同。然后，功率指示器4打开直流电源19开始向工作负载7馈入直流功率。工作负载7因吸收功率而温度升高。参考负载8因未馈入任何功率，因此温度仍保持不变。同样，热电堆16将工作负载7和参考负载8之间的温差转换为电压信号，并通过数字电压表20反馈给功率指示器4。因为直流电源19的输出电压和工作负载7内的直流加热电阻可以精确测量并存在完善的溯源关系，因此馈入的太赫兹功率大小可以通过工作负载7的温升来测量得到。通过比较太赫兹功率入射到工作负载7上所产生的温升和直流功率加到工作负载7上产生的温升之间的关系，通过替代测量方式将太赫兹功率的量值溯源到直流功率，进而溯源到基本物理量。

本实施例提供的用于太赫兹频段的新型量热式功率计的操作步骤为：

第一步：本实施例提供的用于太赫兹频段的新型量热式功率计工作前，需要先对太赫兹功率敏感器1的内筒6进行控温，待内筒6温度稳定后进入第二步；

第二步：首先对太赫兹功率敏感器1的工作负载7输入一定量的直流功率，其值大小假设为P_DC，待热电堆16输出热电势达到稳定后，由功率指示器4采集并记录此时的工作负载7和参考负载8之间的温差热电势V_DC；

第三步：关闭直流功率，待热电堆16输出热电势达到稳定后，由功率指示器4采集并记录此时的温差热电势V_DC0；

第四步：太赫兹信号源18输出某一频率点的信号至太赫兹功率敏感器1的工作负载7，待热电堆16输出热电势达到稳定后，记录此时的工作负载7和参考负载8之间的温差热电势V_THz；

第五步：关闭太赫兹信号源18，待热电堆16输出热电势达到稳定后，记录此时的温差热电势V_THz0；

第六步：按下式计算输入工作负载7的太赫兹功率P_THz；

$P_{THz}=\frac{V_{THz}-V_{THz0}}{V_{DC}-V_{DC0}}\·P_{DC}$

第七步：按所需的频率点，重复操作第二步至第六步，即可得到所测量的太赫兹信号源18的功率。

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 (4)

1.一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计，其特征在于，包括

太赫兹功率敏感器，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势；

功率指示器，根据第一温差热电势和第二温差热电势计算太赫兹功率的功率值，并显示所述太赫兹功率的功率值。

2.根据权利要求1所述的用于太赫兹频段的新型量热式功率计，其特征在于，所述太赫兹功率敏感器包括波导转换和WR10功率敏感器；

WR10功率敏感器，根据直流功率引起的温度变化产生第一温差热电势，根据经过波导转换的太赫兹功率引起的温度变化产生第二温差热电势。

3.根据权利要求2所述的用于太赫兹频段的新型量热式功率计，其特征在于，所述波导转换为WR10-WR5波导转换或WR10-WR3波导转换。

4.根据权利要求2所述的用于太赫兹频段的新型量热式功率计，其特征在于，所述WR10功率敏感器包括工作负载、参考负载和热电堆；

工作负载，根据直流功率产生第一温度值，根据太赫兹功率产生第二温度值；

热电堆，根据第一温度值和参考负载的参考温度产生第一温差热电势，根据第二温度值和参考负载的参考温度产生第二温差热电势。