CN105785114B - 双负载功率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双负载功率传感器，包括：波导法兰，波导法兰上设有两个安装孔，其中一个安装孔经过波导法兰的中心；两个波导支臂，每个波导支臂的一端分别插设在对应的安装孔内，每个波导支臂的另一端的端面形成为相对于波导法兰的轴向倾斜延伸的斜面；两个吸波体，两个吸波体一一对应设置在两个斜面上，其中经过波导法兰的中心的一个波导支臂和对应的吸波体形成为工作端，另一个波导支臂和对应的吸波体形成为参考端，每个吸波体分别包括层叠设置的吸波层、第一绝缘层、电路层、第二绝缘层和屏蔽层，吸波层与斜面接触，电路层上设有热敏电阻。根据本发明实施例的双负载功率传感器，宽带匹配性好，吸波性能好，驻波比小，环境适应性好。

Description

双负载功率传感器

技术领域

本发明涉及微波、毫米波与太赫兹功率基准、功率测量技术领域，具体涉及一种可以应用于高于75HHz频段，例如，110GHz～170GHz，90GHz～140GHz、140GHz～220GHz、220GHz～ 325GHz、325GHz～500GHz、500GHz～750GHz、750GHz～1100GHz、75GHz～110GHz、110GHz～ 170GHz以及170GHz～260GHz等频段的微量热计的双负载功率传感器。

背景技术

近二十多年来，毫米波及太赫兹科学技术全球蓬勃发展，取得了重要的研究成果，应用扩展到波谱、成像、通信、雷达、天文、气象、国防、航空航天等领域。同时，国内外毫米波及太赫兹测试器件、仪器、仪表设备大量涌现，例如信号发生器、功率计、信号分析仪、网络分析仪、噪声系数测试仪和频率计等，为毫米波及太赫兹技术的发展和应用提供了强有力的支撑。毫米波及太赫兹测量设备性能指标的准确可靠性直接影响着毫米波及太赫兹技术的研究水平，产品质量。作为统一全国量值最高依据的计量器具，毫米波及太赫兹计量基准为毫米波及太赫兹测量设备提供准确可靠的评价、标定和校准工作。功率参数是无线电计量体系中最基本、最重要的关键参数量之一。

相关技术中公开了一种微量热计的结构，至少包括有热电堆、工作功率座和参考功率座。国内外110GHz以下微波频段大多利用商用热敏电阻座功率传感器，采用微量热计的方式，将微波能量定量转换成热，并利用直流替代技术确定与直流量值的溯源关系，从而建立功率基准。在高于110GHz频段，目前热电转换式功率传感器技术在国际上还是空白，从而限制了功率基准的建立。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种双负载功率传感器，所述双负载功率传感器宽带匹配性好，吸波性能好，驻波比小，环境适应性好。

根据本发明实施例的双负载功率传感器，包括：波导法兰，所述波导法兰上设有两个安装孔，其中一个所述安装孔经过所述波导法兰的中心；两个波导支臂，两个所述波导支臂间隔开设在所述波导法兰上且分别沿所述波导法兰的轴向延伸，每个所述波导支臂的一端分别插设在对应的所述安装孔内，每个所述波导支臂的另一端的端面形成为相对于所述波导法兰的轴向倾斜延伸的斜面；两个吸波体，两个所述吸波体一一对应设置在两个所述斜面上，其中经过所述波导法兰的中心的一个所述波导支臂和对应的所述吸波体形成为工作端，另一个所述波导支臂和对应的所述吸波体形成为参考端，每个所述吸波体分别包括层叠设置的吸波层、第一绝缘层、电路层、第二绝缘层和屏蔽层，所述吸波层与所述斜面接触，所述电路层上设有铂热敏电阻。

根据本发明实施例的双负载功率传感器，宽带匹配性好，吸波性能好，驻波比小，环境适应性好，可以用于高于75GHz频段。

另外，根据本发明上述实施例的双负载功率传感器还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述参考端与所述工作端为轴对称结构且所述工作端的所述吸波体与所述参考端的所述吸波体相背设置。

根据本发明的一些实施例，每个所述斜面与所述波导支臂的轴线之间的夹角β的取值范围为5度-30度。

根据本发明的一些实施例，所述热敏电阻为铂热敏电阻。

根据本发明的一些实施例，每个所述波导支臂分别形成为方形柱且分别设有沿其轴向贯通的通孔。

根据本发明的一些实施例，所述通孔形成为方形孔且所述波导支臂的壁厚的取值范围为0.05mm～0.3mm。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的双负载功率传感器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的双负载功率传感器的吸波体的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的双负载功率传感器的波导支臂的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的双负载功率传感器的波导法兰的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的双负载功率传感器的频率与驻波比的关系图；

图6是根据本发明实施例的双负载功率传感器的替代效率图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面将结合附图和实施例对根据本发明实施例的双负载功率传感器做进一步的详细说明。

参照图1至图6所示，根据本发明实施例的双负载功率传感器100包括有两个波导支臂(即第一波导支臂1A和第二波导支臂1B)、两个吸波体(即第一吸波体2A和第二吸波体2B)和波导法兰3。其中，第一波导支臂1A与第二波导支臂1B的结构相同，第一吸波体2A与第二吸波体2B的结构相同。

第一波导支臂1A和第二波导支臂1B间隔开设在波导法兰3上，并且分别沿波导法兰3 的轴向延伸。其中，波导法兰3上设有两个安装孔31，其中一个安装孔31经过波导法兰3的中心，第一波导支臂1A可以插设在经过波导法兰3的中心的安装孔31内，第二波导支臂1B可以插设在另一个安装孔31内。由此，装配方便且牢固，同时符合国标要求。

第一波导支臂1A的一端与波导法兰3相连，第一波导支臂1A的另一端形成为相对于波导法兰3的轴向倾斜延伸的斜面，即形成为相当于第一波导支臂1A的轴向倾斜延伸的斜面；第二波导支臂1B的一端与波导法兰3相连，第二波导支臂1B的另一端形成为相对于波导法兰3的轴向倾斜延伸的斜面，即形成为相当于第二波导支臂1B的轴向倾斜延伸的斜面。

两个吸波体一一对应设置在两个斜面上，换言之，第一吸波体2A设在第一波导支臂1A 的斜面上，第二吸波体2B设在第二波导支臂1B的斜面上。第一波导支臂1A和第一吸波体2A构成工作端4，第二波导支臂1B和第二吸波体2B构成参考端5。也就是说，工作端4设置在波导法兰3的中轴线上，参考端5间隔开设置在工作端4的外侧。

每个吸波体分别包括层叠设置的吸波层21、第一绝缘层22、电路层23、第二绝缘层24和屏蔽层25，吸波层21与波导支臂的斜面接触，电路层23上设有热敏电阻，热敏电阻适于在吸波层21吸收毫米波或太赫兹功率并产生热量后发生阻值变化，阻值变化适于通过电路层23的直流电信号表示出来。

由此，工作端4可以用于毫米波或太赫兹波吸收并进行直流替代，参考端5可以作为热参考进行温度补偿。当毫米波或太赫兹110GHz～170GHz功率通过参考端5具有倾斜角度的波导传输到吸波体上时，吸波体吸收了绝大部分毫米波或太赫兹功率并产生热量，导致热敏电阻温度上升，进而使得其阻值发生变化，而热敏电阻阻值的变化情况可以用直流电信号表示出来，从而实现了毫米波或太赫兹功率的直流替代。

下面对根据本发明实施例的双负载功率传感器100的测量模式、替换效率关系以及工作原理进行描述。

(1)在室温T_室温下，将频率在110GHz～170GHz范围内的功率为P_THz的毫米波或太赫兹信号加载在双负载功率传感器100上， 使得本发明实施例的双负载功率传感器100 内部的吸波层21的温度升高，进而使得电路层23的热敏电阻的温度升高，将热敏电阻在此条件下到达的最高温度记为T_THz；

(2)在室温T_室温下，将直流功率P_DC的信号偏置加载在双负载功率传感器100上使得本发明实施例的双负载功率传感器100内部的热敏电阻的温度升高，将热敏电阻在此条件下到达的最高温度记为T_DC；

(3)比较T_THz与T_DC；若相同，则P_THz输出等于P_DC；若不相同，则调节P_DC，使得T_THz等于T_DC。

参见图5所示的双负载功率传感器的驻波比，该图描述的是根据本发明实施例的双负载功率传感器100对于毫米波或太赫兹功率的吸收效果。图中横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为驻波比(常量纲，无单位)，驻波比小于1.2，说明施加到波导法兰 3上的毫米波或太赫兹信号的功率绝大多数都被传感器所吸收，宽带匹配性良好。

依据替代效率η计算公式其中，P_DC为施加的直流功率，P_THz为被双负载功率传感器100吸收的毫米波或太赫兹功率，T为当毫米波或太赫兹功率吸收后，热敏电阻感应的温度。当双负载功率传感器吸收110GHz～170GHz功率后，两个吸波体上的热敏电阻温度达到稳定温度值T时，则需要一定的直流功率达到相同的温度值T，替代效率η见其需要的直流功率，见图6所示。图中，横坐标为直流功率(单位dBm)，纵坐标为替代效率(常量纲，无单位)，替代效率近似于1，说明110GHz～170GHz功率可以用直流功率溯源，并且替代效果好。

根据本发明实施例的双负载功率传感器将毫米波或太赫兹功率溯源到直流或低频功率上。双负载功率传感器的具体工作原理是，首先施加直流偏置电压，不加毫米波或太赫兹功率，热敏电阻会检测到温度变化，采用自平衡电桥的方式，使系统达到平衡，这时测得直流电压V_{RF_OFF}，然后施加毫米波或太赫兹功率，热敏电阻温度上升，负反馈电路调节直流偏置电压，再次利用自平衡电桥的方式，使得系统达到平衡，测得直流电压V_{RF_ON}。这时得到的直流替代效率为两个直流功率之差。由于毫米波或太赫兹功率不可能完全被负载吸收掉，同时直流功率和毫米波或太赫兹功率在负载中的耗散分布不同，从而引起各自产生的热分布也不尽相同，所以用替代效率将毫米波或太赫兹功率和直流功率之间建立联系。

根据本发明实施例的双负载功率传感器100的优点在于：

1、宽带匹配性良好，由于波导支臂采用了倾斜的角度，使得整个传感器的吸波性能好，其驻波比小。

2、直流替代效率高，由于双负载功率传感器100内部的层进行毫米波或太赫兹波吸收，热传递到电路层23的热敏电阻，从而进行直流替代。由于吸波层21和电路层 23仅相隔一个绝缘层，距离很近，可以近似位置一致，故直流替代效率高。

3、环境适应性好，由于传感器采用了双负载结构，其中工作端进行直流替代，而参考端进行热参考，实现温度补偿，从而使得该传感器对外界环境温度变化的适应性好。

4、结构易于加工，便于装配。

根据本发明实施例的双负载功率传感器100不仅可以用于110GHz～170GHz频段，还可以用于多种频段例如，90GHz～140GHz、140GHz～220GHz、220GHz～325GHz、325GHz～500GHz、500GHz～750GHz、750GHz～1100GHz、75GHz～110GHz、110GHz～170GHz以及 170GHz～260GHz等，其中可以通过改变安装孔、波导支臂以及吸波体的尺寸来调整传感器所适用的频段，制造方便。

如图1所示，较优选地，参考端5与工作端4可以为轴对称结构，并且工作端4的第一吸波体2A与参考端5的第二吸波体2B相背设置。也就是说，参考端5和工作端4关于某条对称直线是对称的，参考端5可绕该对称直线旋转180度后与工作端4重合。由此，根据本发明实施例的双负载功率传感器可以形成为一种完全对称的双负载热电转换传感器，两个吸波体之间的影响较小，适应性进一步提高。

当然，第一吸波体2A与第二吸波体2B也不限于相背设置，例如，还可以是相对设置的，或者布置呈一定角度，这对本领域技术人员来说是可以理解并且容易实现的，在此不再详述。

参见图1和图2所示，吸波体可以为五层层叠的矩形结构，吸波体包括吸波层21、第一绝缘层22、电路层23、第二绝缘层24和屏蔽层25。可选地，吸波层21可以为采用硅材料加工成的矩形板结构。第一绝缘层22和第二绝缘层24分别可以为采用二氧化硅材料加工的矩形板结构。电路层23可以采用二氧化硅材料加工制成。为保证较好的热电转换效果，热敏电阻可以是铂热敏电阻，具体可以采用覆铂刻蚀技术在电路层 23上制作有铂热敏电阻。铂热敏电阻可以是一个平板结构、也可以是间隔相同的垛口结构、还可以是间隔不同的垛口结构。在电路层23的四角可以采用镀覆技术分别加工有引脚，以方便电连接。

参照图1和图3所示，波导支臂可以为一体成型结构件，例如，可以选用镍合金材料加工形成。每个波导支臂分别形成为方形柱，每个波导支臂内分别设有通孔12，通孔 12可以沿波导支臂的轴向贯通波导支臂。通孔12可以形成为方形孔且波导支臂的壁厚的取值范围可以为0.05mm～0.3mm。由此，不仅方便制造，而且波传导性好。

需要说明的是，这里“方形”指的是长方形和正方形的统称。另外，安装孔31的形状可以根据波导支臂的形状进行改变，例如，当波导支臂形成为方形柱时，安装孔31 则形成为方形孔。

可选地，根据本发明的一些实施例，斜面11与波导支臂的轴线之间的夹角β的取值范围可以为5度-30度。由此，不仅方便制造，而且传感器的吸波性能更好，驻波比更小。例如，在本发明的一些具体示例中，夹角β的取值分别为10度、15度、20度、 25度等。

波导法兰3的朝向波导支臂的一侧表面可以形成为光滑平整面，波导法兰3的背向波导支臂的一侧表面上可以设有螺纹盲孔32，通过在螺纹盲孔32中放置螺钉可以实现将波导法兰3与外部的安装台进行固定。波导法兰3的外周面上可以设有限位孔33，通过在限位孔33中放置螺钉可以实现在波导法兰3的外部安装上一个的壳体，以起到保护作用。可选地，波导法兰可以为镍基合金材料加工。

综上所述。根据本发明实施例的双负载功率传感器，可以替代传统的热敏电阻座功率传感器，宽带匹配性好，吸波性能好，驻波比小，环境适应性好，结构相对简单且便于制造。

根据本发明实施例的双负载功率传感器100的其他构成以及操作对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“轴向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种双负载功率传感器，其特征在于，包括：

波导法兰，所述波导法兰上设有两个安装孔，其中一个所述安装孔经过所述波导法兰的中心；

两个波导支臂，两个所述波导支臂间隔开设置且分别沿所述波导法兰的轴向延伸，每个所述波导支臂的一端分别插设在对应的所述安装孔内，每个所述波导支臂的另一端的端面形成为相对于所述波导法兰的轴向倾斜延伸的斜面；

两个吸波体，两个所述吸波体一一对应设置在两个所述斜面上，其中经过所述波导法兰的中心的一个所述波导支臂和对应的所述吸波体形成为工作端，另一个所述波导支臂和对应的所述吸波体形成为参考端，每个所述吸波体分别包括层叠设置的吸波层、第一绝缘层、电路层、第二绝缘层和屏蔽层，所述吸波层与所述斜面接触，所述电路层上设有热敏电阻。

2.根据权利要求1所述的双负载功率传感器，其特征在于，所述参考端与所述工作端为轴对称结构且所述工作端的所述吸波体与所述参考端的所述吸波体相背设置。

3.根据权利要求1所述的双负载功率传感器，其特征在于，每个所述斜面与所述波导支臂的轴线之间的夹角β的取值范围为5度～30度。

4.根据权利要求1所述的双负载功率传感器，其特征在于，所述热敏电阻为铂热敏电阻。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的双负载功率传感器，其特征在于，每个所述波导支臂分别形成为方形柱且分别设有沿其轴向贯通的通孔。

6.根据权利要求5所述的双负载功率传感器，其特征在于，所述通孔形成为方形孔且所述波导支臂的壁厚的取值范围为0.05mm～0.3mm。