CN108110391B - 一种用于中大功率量热计的同轴水负载 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于中大功率量热计的同轴水负载，包括接头、匹配变换器、隔热传输线和负载结构；所述接头通过隔热传输线和匹配变换器连接负载结构。该结构扩展了功率测量频段范围，提高了功率测量的准确度。采用本发明的设计思路，可实现4GHz以内数千瓦功率的准确测量。本设计采用N型接头形式设计，为了提高功率容量以及散热效果，水负载的实际尺寸会比N型同轴线内导体直径大很多，为了减小负载的反射系数，提高功率测量的精度，对于水负载的要求包括低反射系数、高频下没有高阶模工作、在反复拧接操作后的高重复性以及高机械强度。

Description

一种用于中大功率量热计的同轴水负载
技术领域
本发明涉及水负载技术领域。更具体地，涉及一种用于中大功率量热计的同轴水负载。
背景技术
在功率测量领域内，负载主要作用是阻抗匹配和功率吸收。负载吸收功率引起自身温度的变化，人们利用这一特点设计了量热计结构，可通过测量负载的温度变化量，从而确定其吸收的功率。根据负载的吸热方式，分为水负载和干式负载两种。
水负载是一种利用水循环作为热沉设计的负载结构，其具有吸热快、体积小的特点，主要以矩形波导形式存在，作为中大功率的吸收负载使用。但由于矩形波导电磁特性限制，该类水负载作用频段范围较窄，吸热效率不高，用于测量功率存在较低的测量不确定度。
因此，本发明提出一种用于中大功率量热计的同轴水负载，采用同轴渐变线设计原理，巧妙地在同轴线结构中加入了水循环设计，一方面解决了同轴线尺寸小、散热难的问题，另一方面有效的扩展了量热计的测量频段范围，使量热计的功率测量范围扩展到数千瓦量级。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于中大功率量热计的同轴水负载。该结构扩展了功率测量频段范围，提高了功率测量的准确度。采用本发明的设计思路，可实现4GHz以内数千瓦功率的准确测量。本设计采用N型或16/7接头形式设计，为了提高功率容量以及散热效果，水负载的实际尺寸会比N型同轴线内导体直径大很多，为了减小负载的反射系数，提高功率测量的精度，对于水负载的要求包括低反射系数、高频下没有高阶模工作、在反复拧接操作后的高重复性以及高机械强度。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于中大功率量热计的同轴水负载，包括接头、匹配变换器、隔热传输线和负载结构；所述接头依次通过隔热传输线和匹配变换器连接负载结构；其中所述接头用于接收和传输微波信号；所述隔热传输线用于对负载结构内外的热量进行隔离，且接收接头传输的微波信号，并将其传输至匹配变换器；所述匹配转换器用于转换阻抗，减小微波损失，且接收隔热传输线传输的微波信号，并将其传输至负载结构；所述负载结构用于接收匹配转换器传输的微波信号，测量微波功率。
所述接头为N型或16/7结构，可满足市面上绝大多数测试仪器的需要，其中所述N型接头适用于DC～18GHz微波功率，所述16/7结构接头适用于DC～8GHz微波功率；接头采用不锈钢材料加工而成，能增加接头的耐磨性。
所述匹配变换器为多节连续渐变结构，采用黄铜材料；匹配变换器能减小由于同轴尺寸的阶跃变化带来的反射，设计采用多节匹配变换器结构进行平滑处理，当分离的节数增加时，各节之间的特征阻抗的阶跃变化随之减小，最终可近似看成一个连续渐变的同轴传输线。
所述隔热传输线结构包括连接件、内导体和外导体；连接件连接外导体、接头及匹配变换器；
所述外导体和内导体均为不锈钢薄壁管，所述不锈钢薄壁管壁厚0.5mm；内导体两端的直径分别为3.04mm和20.00mm，长度为50mm；外导体两端的直径分别为7.00mm和46.00mm，长度为50mm；所述外导体套设在内导体外部，且所述外导体与所述内导体同轴设置。
利用不锈钢材料相对导热系数小的特点，能有效的减小热敏电阻的热量向腔体外部传输以及防止腔体外部的热量传入功率座内部从而影响热敏电阻的微波功率吸收效率。
所述连接件为两段铜环连接件，内壁光滑，外壁螺纹处理；铜环的内径与外导体的管外径相匹配，要求能使外导体不锈钢管刚好插入，且不留缝隙；铜环的外壁要求与接头连接的铜环连接件螺纹间距较小，便于微调接头内外导体的位置；两段铜环连接件分别用于匹配变换器和接头；利用铜材料比热容较大的特点，选铜环连接件作为紧固件将外导体、接头和匹配变换器连接。
所述铜环连接件的内壁与外导体的外壁采用锡焊工艺连接，相比银焊工艺可避免不锈钢管变形，相比导电胶连接可提高机械强度。
所述负载结构包括交换孔、内管和外管，所述内管通过交换孔与外管连接，所述内管和外管为同心圆管；其中所述内管通冷水(此处的冷水是指常温水)，内管中的水通过交换孔进入外管。
所述外管采用陶瓷材料，外表面涂有吸波材料，吸波材料表面覆盖隔热材料。为了保证受热均匀，内外管需要保证同心，外管外表面涂有吸波材料，根据测量的频段不同，吸波材料的特性及涂层的厚度各不相同，需要仿真得到，为了提高传热效率，外管需要选择热导率高的材料，为了避免吸波涂层向外散热，吸波材料上表面需要覆盖隔热材料，隔热材料不影响微波透射。
所述内管采用陶瓷材料，外壁缠绕加热电阻丝，由于加热电阻丝需要提供千瓦级的功率输出，而为了避免引线误差，加热电阻丝的阻值不能过小，因此，电阻丝两端的电压会较大，为了防止漏电，需要将电阻丝镶嵌在陶瓷基材的内部，并且保证靠近内管的一面不向内管传导热量，使交流对液体的加热长度与微波加热长度相同。
为了尽可能的使微波加热方式与交流加热方式相同，需要对水负载进行电磁场仿真，确定不同频段下，负载的电磁场仿真模型，根据模型调整交流加热丝的加热位置、匝数、稠密度等，再对其进行热力学仿真，使交流加热与微波加热有相同的效果。
对水负载进行热力学仿真，调整交换孔的大小、数量、位置等，使流过外管的液体受热时间相同，流向一致，温度均匀，不会引起热电堆输出电压不稳定、液体内温度传感器读数跳动等情况发生。
本发明的有益效果如下：
1)本发明将水负载内导体设计为内外双管结构，两管通过交换孔相通并旋接在一起，同时保证同心，外管外表面涂有吸波材料，外管本身选择热导率高的材料，同时吸波材料上表面覆盖隔热材料，并保证隔热材料不影响微波透射；
2)本发明结构中匹配连接器应选择阶梯结构或渐变结构设计，能减小失配误差的影响；
3)本发明结构中加入同轴隔热传输线结构，能有效减小内部热量的散失；
4)本发明的同轴水负载结构可以用于中大功率量热计的研制，建立中大功率标准，有效扩展功率测量频段，提高功率测量精度。
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1中的中大功率量热计水负载结构示意图。
其中：1-热水输出端，2-冷水输入端，3-冷端，4-热端，5-热电堆，6-交流加热电阻，7-水负载，8-吸波涂层，9-渐变同轴外腔体，10-同轴隔热传输线，11-介质支撑，12-外导体薄壁，13-内导体薄壁，14-同轴匹配器，15-螺旋状内导体连接，16-冷热水交换孔，17-陶瓷管壁，18-分流腔，19-外壳。
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。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。
实施例1
本发明公开了一种中大功率量热计同轴水负载结构，该结构由接头、匹配变换器、隔热传输线和负载结构四部分组成，如图1所示。所述接头通过隔热传输线和匹配变换器连接负载结构；其中所述接头用于接收和传输微波信号；所述隔热传输线用于对负载结构内外的热量进行隔离，且接收接头传输的微波信号，并将其传输至匹配变换器；所述匹配转换器用于转换阻抗，减小微波损失，且接收隔热传输线传输的微波信号，并将其传输至负载结构；所述负载结构用于接收匹配转换器传输的微波信号，测量微波功率。
图1示出中大功率量热计水负载结构，包括热水输出端1，冷水输入端2，冷端3，热端4，热电堆5，交流加热电阻6，水负载7，吸波涂层8，渐变同轴外腔体9，同轴隔热传输线10，介质支撑11，外导体薄壁12，内导体薄壁13，同轴匹配器14，螺旋状内导体连接15，冷热水交换孔16和陶瓷管壁17。
接头采用N型接头形式，采用不锈钢材料加工而成，能增加接头的耐磨性；所述接头的一端连接隔热传输线的一端，本发明中接头在图1中并未示出。
隔热传输线结构即同轴隔热传输线10包括连接件、内导体和外导体；内导体两端的直径分别为3.04mm和20.00mm，长度为50mm；外导体两端的直径分别为7.00mm和46.00mm，长度为50mm；
所述外导体和内导体均为不锈钢薄壁管，如图1中外导体薄壁12和内导体薄壁13，所述不锈钢薄壁管壁厚0.5mm；
所述连接件为两段铜环连接件，分别用于匹配变换器和接头，铜环内壁光滑，内径为46.5mm，要求能使较粗的不锈钢管刚好插入，且不留缝隙，外壁螺纹处理，要求与匹配变换器连接的铜环连接件螺纹间距较小；铜环连接件与不锈钢管采用锡焊工艺连接；
所述隔热传输线结构还包括介质支撑11，所述介质支撑不仅用于支撑内导体和外导体，而且可用于隔热，防止水负载的热量向外热辐射。
同轴隔热传输线10的另一端连接匹配变换器即同轴匹配器14，所述同轴匹配器14由黄铜材料加工，采用连续渐变结构设计，能减少由于尺寸的阶跃变化带来的反射；
同轴匹配器14的另一端连接所述负载结构即水负载7，所述水负载7包括外壳、交换孔、内管和外管，即图1中所示外壳19、冷热水交换孔16、冷端3和热端4；其中，内管通过交换孔与外管连通并旋接在一起，所述内管和外管为同心圆管，即冷端3通过冷热水交换孔16与热端4连通并旋接在一起，所述冷端3和热端4为同心圆管；使用时通过冷水输入端2将常温水输入冷端3，水流通过冷热水交换孔16进入热端4，通过热水输出端1输出；内管内径为14.14mm，外管直径为20.00mm，内外管等长，长度为50mm，外管外表面涂有吸波材料即吸波涂层8，外管选择陶瓷材料，吸波材料上表面需要覆盖隔热材料。
内管采用陶瓷材料，其外壁缠绕加热电阻丝即交流加热电阻6，所述交流加热电阻6用于校准微波测量值，在使用水负载测量微波功率前，先对交流加热电阻6通电以加热热端4，使得热端4中的水温与冷端3中的水温产生温差，通过电加热测量水温的温差来校准微波加热造成的水温温差。加热电阻丝能提供2500W的功率输出，阻值为50欧姆，为了防止漏电，需要将电阻丝镶嵌在陶瓷基材的内部，并且保证靠近内管的一面不向内管传导热量，使交流对液体的加热长度与微波加热长度相同。
所述负载结构即水负载7还包括热电堆5，所述热电堆5设置于冷端3一端和热端4一端的外部，用于测量冷端3和热端4中水温的温差。
所述负载结构即水负载7还包括渐变同轴外腔体9，用于接收微波信号，图中所示渐变同轴外腔体9为围绕热端4的梯形结构。
所述负载结构即水负载7还包括套设于冷端3外部的陶瓷管壁17，所述陶瓷管壁17用于封装加热电阻丝,用于直流功率对微波功率定标。
所述负载结构即水负载7还包括螺旋状内导体连接15，所述螺旋状内导体连接15用于连接内导体和水负载芯，从而增强机械强度。
所述负载结构即水负载7还包括分流腔18，所述分流腔18用于将外管管径拉大，便于分离热水，将热水引出。
结论：水负载内导体为同心内外双管，外管外表面涂有吸波材料，外管本身选择热导率高的材料，同时吸波材料上表面覆盖隔热材料，并保证隔热材料不影响微波透射；匹配连接器减小了失配误差的影响；同轴隔热传输线结构，有效减小了内部热量的散失；三者相互配合，协同作用，使得到的同轴水负载结构可以用于中大功率量热计的研制，建立中大功率标准，有效扩展功率测量频段，提高功率测量精度，缺少任一组件都会使得该结构在某些方面有不同程度的减弱。本发明的产品采用同轴渐变线设计原理，巧妙地在同轴线结构中加入了水循环设计，一方面解决了同轴线尺寸小、散热难的问题，另一方面有效的扩展了量热计的测量频段范围，使量热计的功率测量范围扩展到数千瓦量级。
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 (9)

1.一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，包括接头、匹配变换器、隔热传输线和负载结构；所述接头通过隔热传输线和匹配变换器连接负载结构；其中，
所述接头用于接收和传输微波信号；
所述隔热传输线用于对负载结构内外的热量进行隔离，且接收接头传输的微波信号，并将其传输至匹配变换器；
所述匹配转换器用于转换阻抗，减小微波损失，且接收隔热传输线传输的微波信号，并将其传输至负载结构；
所述负载结构用于接收匹配转换器传输的微波信号，测量微波功率；
所述负载结构包括交换孔、内管和外管，所述内管通过交换孔与外管连通并旋接，所述内管和外管为同心圆管。
2.根据权利要求1所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述接头为N型或16/7结构，材料为不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述匹配变换器为多节连续渐变结构，材料为黄铜。
4.根据权利要求1所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述隔热传输线结构包括连接件、内导体和外导体；连接件连接外导体、接头及匹配变换器。
5.根据权利要求4所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述外导体和内导体均为不锈钢薄壁管，所述不锈钢薄壁管壁厚0.5mm。
6.根据权利要求4所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述连接件为两段铜环连接件，内壁光滑，外壁螺纹处理；两段铜环连接件分别用于匹配变换器和接头。
7.根据权利要求6所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述铜环连接件的内壁与外导体的外壁采用锡焊工艺连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述外管采用陶瓷材料，外表面涂有吸波材料，吸波材料表面覆盖隔热材料。
9.根据权利要求1所述的一种用于中大功率量热计的同轴水负载，其特征在于，所述内管采用陶瓷材料，外壁缠绕加热电阻丝。
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