CN110161303B - 一种0-6GHz量热式微波功率计用微波负载 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种0‑6GHz量热式微波功率计用微波负载，所述负载包括：微波负载电路、液体循环与导热通道、液体通道接口、微波负载电路接口，绝热装置、密封壳体；绝热装置和微波负载电路均为腔体结构，微波负载电路固定在绝热装置的内腔中，绝热装置上预留有液体通道接口与微波负载电路接口；微波负载电路中腔体的一端接微波负载电路接口，液体循环与导热通道位于微波负载电路的腔体中，液体循环与导热通道与微波负载电路紧贴，液体循环与导热通道两端与液体通道接口连接；克服了直接测量和大功率水负载法无法测量数瓦到数百瓦的微波毫米波功率，而耦合测量法精度不够的问题。

Description

一种0-6GHz量热式微波功率计用微波负载

技术领域

本发明涉及微波功率测量领域，具体地，涉及一种0-6GHz量热式微波功率计用微波负载。

背景技术

中低微波功率的准确测量对于工业生产与国防技术来说是非常重要的，通常小功率微波(毫瓦量级)可以通过现有商用设备直接准确的测量。测量中低功率(数瓦到数百瓦)微波时可以通过定向耦合器得到一个等比例的小功率微波，然后直接测量小功率微波，然后根据所用器件的耦合系数得到微波功率，但是这种器件在不同频率和不同功率下的耦合系数都会发生变化，导致测量精度不高。量热式水负载也可用于微波功率测量，这种负载以一定速率流动的水作为微波吸收媒质，微波能量在水中被损耗并转化为水的热能，通过测量水负载出入口的温度差，能够通过公式计算出微波功率。这种测量方法对较低频率微波(比如1GHz以下)并不适合，因为相应频率的腔体尺寸会很大，其次，目前这种测量方法都是用于大功率微波毫米波测量，功率一般在千瓦量级以上，否则精度无法保证。

发明内容

本发明提供了一种0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，目的是克服直接测量和大功率水负载法无法测量数瓦到数百瓦的微波毫米波功率，而耦合测量法精度不够的问题。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种0-6GHz量热式中低功率微波负载，所述微波负载包括：

微波负载电路、液体循环与导热通道、液体通道接口、微波负载电路接口，绝热装置。其中绝热装置为盒子状，将系统所有部分包裹在其中，并留出了液体通道接口与微波负载电路接口。微波负载电路为腔体结构，腔体的一端接微波负载电路接口，微波负载电路紧贴液体循环与导热通道，液体通道接口接在液体循环与导热通道两端使液体能够流入与流出；

微波负载电路是由金属腔体、传输线，衰减器、微波电阻组成的微波吸收电路。传输线可为微带线、同轴线等，衰减器和微波电阻安装在腔体内部，腔体接地，微波信号由腔体入口通过传输线先进入衰减器，然后通过传输线进入微波电阻，其中衰减器可为0个或多个，衰减器之间同样使用传输线连接。具有在宽频带0-6GHz的低驻波比的特点，即只有极小部分微波能量被反射回去，保证微波能量被负载电路吸收并转换为热能；

微波负载电路接口为同轴接口，使微波负载电路能够与特定规格的同轴波导匹配的连接，保证微波能量的传输过程中尽量低的反射与损耗。

液体循环与导热通道紧贴微波负载电路中产生热量的部分，使液体媒介能够均匀的在通道中流动并吸收热能，使系统在正常工作时能够在液体通道的出入口形成稳定的温度差，其中液体媒介可以是水、酒精、煤油、乙醚等。

液体通道接口由液体入口与液体出口组成，其中液体入口尽量远离微波负载电路中产生热量的部分，避免热能通过液体或液体通道壁传导到液体入口处。而液体出口尽量远离微波负载电路接口部分，避免热能通过微波负载电路接口传导到外界。

绝热装置为腔体结构，由绝热材料或者金属真空工艺制成，将微波负载电路、液体循环与导热通道包裹在其中并留出液体通道接口和微波负载电路接口能够与外界相接，尽量保证微波负载电路产生的热能不与外界进行热交换。

其中，所述毫米波量热式微波功率计包括：

所述负载、循环恒温模块、2个测温模块、数据采集与后处理模块、流量计和控制器模块；

所述负载为腔体结构，腔体结构将待测的毫米波功率源产生的毫米波的电磁场能量吸收并转化成热量并传热给腔体壁，腔体壁上设有液体介质通道；

循环恒温模块，用于产生液体循环，持续带走所述负载产生的热量，并控制液体在所述负载入口处的温度恒定；

2个测温模块分别用于测量流入所述负载入口处的液体温度以及流出所述负载出口处的液体温度；

流量计和控制器模块，用于控制和测量液体的流量；

数据采集与后处理模块，用于将2个测温模块测量的温度数据，以及流量计和控制器模块测量的流量数据采集到计算机或嵌入式系统中，通过计算得到微波功率值。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本发明克服直接测量和大功率水负载无法测量几瓦到几百瓦的微波功率，而耦合测量法或衰减测量法精度不够的问题。

2.本发明可测量的微波频率带宽较大，可使用的范围较大。

3.本发明可以根据所测微波功率来调节负载内液体介质的流速，以拓宽功率测量范围和达到最优的测量精度。

4.本发明中微波负载电路可在直流状态下工作，而直流功率容易精确控制与测量，所以该负载能够直接在直流工作状态下进行校准，使得微波毫米波的功率吸收和校准成为一体，提高了测量精度。

5.本发明在最外层做了绝热设计，进一步提高了测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本0-6GHz量热式微波功率计用微波负载的结构示意图；

图2为微波负载电路原理图；

图3为液体循环与导热通道、液体通道接口和微波负载电路腔体结构三视图；

图4为微波功率计的组成示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明系统结构如图1所示，包括液体通道入口101，液体通道出口102，液体循环导热通道103，微波负载电路接口104，微波负载电路105，微波负载电路腔体106，绝热装置107。所用液体介质为水。

具体的微波吸收等效电路如图2所示。包括等效同轴N型接口201，1.5dBπ型衰减器202(消耗了25％的能量),1.5dBπ型衰减器203(消耗了25％的能量)，50欧姆微波电阻204(消耗了50％的能量)，接地的微波负载电路腔体205。衰减器、微波电阻和同轴N型接口之间采用特性阻抗为50欧姆的微带线连接，且经过调试0-6GHz频率范围输入端阻抗为50欧姆，驻波比小于1.25，其中0-3GHz驻波比小于1.15。

具体的液体循环与导热通道、液体通道接口和微波负载电路腔体通过机械加工与焊接形成一个整体的无氧铜金属结构，尺寸为25cm*3cm*2cm，结构如图3所示。包括微波负载电路腔体301，微波吸收电路放置位置302，液体通道出口303，液体通道入口304，液体循环与导热通道305。

其中绝热装置为长方体腔体结构，尺寸为30cm*10cm*10cm，由具有隔热效果的玻璃纤维板制成，将微波负载电路、液体循环与导热通道固定在其中并留出液体通道接口和微波负载电路接口能够与外界相接，同时密封腔体减少内部气体热对流，保证了绝热装置隔热效果。

其中液体通道接口均为NPT-1/8螺纹接口，液体通道入口靠近微波负载电路接口的地方，液体通道出口在另一侧，产生热能的衰减器与电阻紧贴在微波负载电路腔体靠近液体通道的金属壁上，液体循环与导热通道使液体蜿蜒曲折的流动并带走微波电阻和衰减器产生的热能(图中曲线箭头为液体流向)，系统工作时在液体通道入口与出口使液体形成稳定的温度差。

请参考图4，所述毫米波量热式微波功率计包括：

所述负载、循环恒温模块、2个测温模块、数据采集与后处理模块、流量计和控制器模块；

所述负载为腔体结构，腔体结构将待测的毫米波功率源产生的毫米波的电磁场能量吸收并转化成热量并传热给腔体壁，腔体壁上设有液体介质通道；

循环恒温模块，用于产生液体循环，持续带走所述负载产生的热量，并控制液体在所述负载入口处的温度恒定；

2个测温模块分别用于测量流入所述负载入口处的液体温度以及流出所述负载出口处的液体温度；

流量计和控制器模块，用于控制和测量液体的流量；

数据采集与后处理模块，用于将2个测温模块测量的温度数据，以及流量计和控制器模块测量的流量数据采集到计算机或嵌入式系统中，通过计算得到微波功率值。

其中，在本申请实施例中，所述毫米波量热式微波功率计中的液体介质位纯净水或酒精或煤油或乙醚。

其中，在本申请实施例中，所述毫米波量热式微波功率计中循环恒温模块包括：恒温机、液体介质传输通道、循环泵；液体介质传输通道首尾两端分别与所述负载液体入口和所述负载液体出口连接，恒温机用于控制液体的温度，循环泵用于产生循环动力。

其中，在本申请实施例中，所述毫米波量热式微波功率计中将2个测温模块测量的温度数据，以及流量计和控制器模块测量的流量数据采集到计算机或嵌入式系统中，通过计算得到微波功率值，具体为：

根据热力学公式：

Q＝C·m·ΔT (1)

其中：Q:热量，功率，单位为焦耳(J)

C:比热容,假定介质为水，水的比热容为：4200焦/(千克*摄氏度)，(J/(kg·℃))

m:质量，单位为千克(kg)

ΔT:温度变化绝对值，单位为摄氏度，℃。

经过变换，(1)式可变为：

P＝70·Δv·ΔT (2)

P为测得的功率值，单位为瓦特，Δv为流量，单位为：升/分钟(L/min)

根据(2)式，可方便的将测得的温度差和水流量通过计算得到功率。

其中，在本申请实施例中，基于毫米波量热式微波功率计还提供了一种量热式毫米波中低功率测量方法，所述方法包括：

步骤1：对低功率测量系统进行校准；

步骤2：将待测的毫米波功率源与所述负载进行连接，将待测的毫米波功率源产生的毫米波传输至所述负载；

步骤3：通过循环恒温模块控制液体的温度和流速；

步骤4：理由数据采集与后处理模块采集2个测温模块测量的温度数据和流量计和控制器模块测量的流量数据，并基于采集的数据计算得到待测的毫米波功率源的微波功率值。

其中，毫米波量热式微波功率计中的所述负载为腔体结构，腔体内部是由碳粉、石墨纳米材料组成的毫米波吸收材料，将毫米波的能量转换成吸波材料中的热能，再通过腔体传热给蜿蜒液体通道中的液体媒介，液体媒介可以是水、酒精、煤油、乙醚等。

毫米波量热式微波功率计克服直接测量和大功率水负载法无法测量几瓦到几百瓦的毫米波功率，而耦合测量法精度不够的问题。

毫米波量热式微波功率计在循环液体通道中采用恒温模块，确保在液体在功率吸收模块入口处的温度恒定，确保了入口温度的稳定，有利于测温系统的稳定，有利于提高功率测量的精度和稳定性。

毫米波量热式微波功率计采用超高精度测温模块，高精度低流速流量计及控制器，实现高精度几瓦-几百瓦的毫米波量热式测量。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，所述负载包括：

微波负载电路、液体循环与导热通道、液体通道接口、微波负载电路接口、绝热装置、密封壳体；

绝热装置和微波负载电路均为腔体结构，微波负载电路固定在绝热装置的内腔中，绝热装置上预留有液体通道接口与微波负载电路接口；微波负载电路中腔体的一端接微波负载电路接口，液体循环与导热通道位于微波负载电路的腔体中，液体循环与导热通道与微波负载电路紧贴，液体循环与导热通道两端与液体通道接口连接。

2.根据权利要求1所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，微波负载电路包括：金属腔体、传输线、微波电阻；微波信号由金属腔体入口通过传输线进入微波电阻。

3.根据权利要求2所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，所述微波负载电路还包括若干个依次串联的衰减器，微波信号由金属腔体入口通过传输线依次进入若干个衰减器，然后通过传输线进入微波电阻。

4.根据权利要求2所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，传输线为微带线或同轴线。

5.根据权利要求3所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，若干个衰减器之间采用传输线连接。

6.根据权利要求1所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，微波负载电路接口为同轴接口。

7.根据权利要求1所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，液体循环与导热通道中的液体媒介为水或酒精或煤油或乙醚。

8.根据权利要求1所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，液体通道接口包括液体入口与液体出口，其中液体入口远离微波负载电路中产生热量的部分，液体出口远离微波负载电路接口部分。

9.根据权利要求1所述的0-6GHz量热式微波功率计用微波负载，其特征在于，绝热装置由绝热材料或者金属真空工艺制成。

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