CN113466541B - 一种基于量热技术的毫米波波导功率计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量热技术的毫米波波导功率计，包括：功率敏感器和功率指示器，所述功率敏感器接收外界的毫米波信号，实现毫米波功率和直流功率的替代，其信号输出端与所述功率指示器的信号输入端相连，所述功率指示器用于测量并显示所述毫米波信号的功率值；所述功率指示器为电桥式负反馈指示器包括：电桥模块、信号处理及反馈模块和显示模块；所述电桥模块置于所述功率敏感器内，用于感知温度信号变化产生差分信号；所述信号处理及反馈模块接收所述差分信号，进行放大、同步检波、直流放大处理后生成直流反馈信号反馈至所述电桥模块。

Description

一种基于量热技术的毫米波波导功率计

技术领域

本发明涉及量热计技术领域。具体的，涉及一种基于量热技术的毫米波波导功率计。

背景技术

功率是微波毫米波领域最基本的参数之一，也是表征信号特征的一个重要参数。微波毫米波功率的测量都是基于将微波毫米波能量转换为热、力、直流或低频电信号等能量形式然后加以测量的，因此，从结构上来讲，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。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敏感器(也称功率传感器、功率探头、功率座等)、将相应的指示器称为功率指示器。按基本测量原理，可以将微波毫米波功率计分为两类：直接测量类和间接测量类。

直接测量类：即利用微波功率的热效应，测量吸收微波功率后的温度变化，根据温度变化得出被测功率的量值。量热式功率计、测辐射热式功率计均属于这一类。

间接测量类：即测量与功率相关的量如电压等，再利用其与功率的关系计算出功率值。热电式和二极管式功率计属于这一类。

直接测量类中的量热式及测辐射热式功率计基于微波/直流功率替代原理，可将微波毫米波功率量值直接溯源至直流功率，因此可用做基标准及工作标准；间接测量类中的热电式及二极管式功率计由于原理的限制及结构等特点，更适合做商用功率计，用于普通的测量测试中。

量热式功率计主要用做功率标准，且其受环境温度的影响较大，因此使用范围相对较小，目前市场上该类产品只覆盖至50GHz，50GHz以上频段尚无量热式功率计，导致我国众多计量机构由于缺乏工作标准，无法研建毫米波功率标准。

发明内容

为解决上述问题至少之一，本发明的一个目的在于提供一种基于量热技术的毫米波波导功率计，

包括：功率敏感器和功率指示器，所述功率敏感器接收外界的毫米波信号，实现毫米波功率和直流功率的替代，其信号输出端与所述功率指示器的信号输入端相连，所述功率指示器用于测量并显示所述毫米波信号的功率值；

所述功率指示器为电桥式负反馈指示器包括：电桥模块、信号处理及反馈模块和显示模块；所述电桥模块置于所述功率敏感器内，用于感知温度信号变化产生差分信号；所述信号处理及反馈模块接收所述差分信号，进行放大、同步检波、直流放大处理后生成直流反馈信号反馈至所述电桥模块。

具体的，所述功率敏感器采用双负载形式，包括：

隔热内桶以及其围成的腔室，所述隔热内桶具有第一内通孔；

工作负载，用于吸收毫米波功率，实现直流功率与毫米波功率的替代，所述工作负载一端附有第一感温电阻器R1和第一直流加热电阻器R5，另一端穿过第一内通孔与隔热传输波导连接；

参考负载，所述参考负载的一端附有第二感温电阻器R2和第二直流加热电阻器R6，另一端与所述隔热内桶内壁粘接；

隔热外桶，所述隔热外桶与隔热内桶通过绝缘支撑固定且之间具有间隙，所述隔热外桶与所述第一内通孔对应的位置处具有第一外通孔。

所述功率敏感器还包括：

外部连接波导，所述外部连接波导穿过第一外通孔与所述隔热传输波导连接，用于接收所述毫米波信号。

所述隔热外桶与隔热内桶之间的间隙与桶内均填充有隔热材料粉末。

具体的，所述电桥模块包括所述第一感温电阻器R1、所述第二感温电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4；

所述第一感温电阻器R1的第一端接地，第二端与所述第三电阻器R3第一端相连接，所述第三电阻器R3的第二端与同步检波器的第三端口相连接；

所述第二感温电阻器R2的第一端接地，第二端与所述第四电阻器R4的第一端相连接，所述第四电阻器R4的第二端与所述同步检波器的第三端口相连接。

所述电桥模块包括所述第一感温电阻器R1、所述第二感温电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4；

所述第一感温电阻器R1的第一端接地，第二端与所述第三电阻器R3第一端相连接，所述第三电阻器R3的第二端与同步检波器的第三端相连接；

所述第二感温电阻器R2的第一端接地，第二端与所述第四电阻器R4的第一端相连接，所述第四电阻器R4的第二端与所述同步检波器的第三端相连接。

所述电桥模块还包括所述第一直流加热电阻器R5和所述第二直流加热电阻器R6，所述第一直流加热电阻器R5的第一端接地，第二端与平方检波器的第一端相连；所述第二直流加热电阻器R6的第一端接地，第二端与偏置功率的第一端相连。

所述信号处理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、同步检波器、直流放大器、平方检波器、量程变换器、偏置放大器和偏置功率；

所述第一运算放大器的第一输入端与所述第一感温电阻器R1的第二端相连，第二输入端与所述第二感温电阻器R2的第二端相连，第一输出端与所述第二运算放大器的第三输入端相连接；所述第二运算放大器的第二输出端与所述同步检波器的第一端相连，所述同步检波器的第二端与所述直流放大器的第四输入端相连接，第三端与正弦波振荡器相连接；所述直流放大器的第一端与所述量程变换器的第二端相连接，第二端口与所述偏置放大器的第五输入端相连，所述偏置放大器的第六输入端与所述量程变换器第三端相连接，第五输出端用于输出包含测量的功率值的电信号；所述量程变换器的第一端与所述偏置功率的第二端相连接。

所述电桥模块还用于接收所述直流反馈信号，具体的，所述第二直流加热电阻器R6接收所述直流反馈信号，温度上升至与所述第一直流加热电阻器R5相同，所述第二感温电阻R2感知其温度变化，电桥模块恢复平衡。

所述显示模块包括数字显示器，用于显示测得的毫米波功率。

本发明的有益效果如下：

本发明的目的在于提供一种基于量热技术的毫米波波导功率计。这种毫米波功率计基于直流/毫米波功率替代原理，可以将毫米波功率的量值直接溯源至直流功率，因此测量准确度较高，可用做毫米波功率标准的主标准器，解决现在由于缺乏工作标准，导致毫米波频段功率标准无法研建的问题。该毫米波功率计频率覆盖140GHz～220GHz，传输线形式为波导WR05，由于原理具有通用性，因此具备广泛的推广应用前景，其他频段的功率计也可参照使用。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施例提供的一种基于量热计术的毫米波波导功率计的示意图；

图2示出本发明的一个实施例提供的一种功率敏感器的电路图；

图3示出本发明的一个实施例提供的一种功率指示器的电路图；

1.隔热外桶2.隔热内桶3.参考负载4.工作负载5.加热电阻及感温元件6.隔热传输波导7.外部连接波导

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。

本发明的一个实施例提出了一种基于量热计术的毫米波波导功率计，

如图1所示，包括功率敏感器和功率指示器；所述功率敏感器接收外界输入的毫米波信号，吸收毫米波功率，实现毫米波/直流功率的准确替代；配套的功率指示器实现毫米波功率的测量及显示；二者之间通过电缆连接。

如图2所示，所述功率敏感器包括：

所述功率敏感器采用双负载形式，包括：

隔热内桶2以及其围成的腔室，所述隔热内桶具有第一内通孔；

工作负载4，所述工作负载一端附有第一感温电阻器和第一直流加热电阻器5，另一端穿过第一内通孔与隔热传输波导6通过螺钉连接；

参考负载3，所述参考负载的一端附有第二感温电阻器和第二直流加热电阻器5，另一端与所述隔热内桶内壁粘接；

隔热外桶1，所述隔热外桶与隔热内桶通过绝缘支撑固定，之间具有间隙，所述隔热外桶与所述第一内通孔对应的位置处具有第一外通孔；

外部连接波导7，所述外部连接波导穿过第一外通孔与所述隔热传输波导6通过螺钉连接。

所述工作负载用于吸收毫米波功率，实现毫米波/直流功率替代，所述参考负载作为温度参考。在一个具体的实施例中，工作负载、参考负载和隔热传输波导均为薄壁不锈钢波导管，壁厚0.3mm，内壁镀金。

所述隔热传输波导具有隔热功能，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。

所述隔热外桶及隔热内桶用于保持测试环境的温度稳定，为太赫兹直流功率替代的准确温升测量提供理想的恒温环境；

隔热外桶及内桶采用铝制圆桶，两层桶间及内桶内均放入隔热材料粉末，以最大限度地隔绝环境温度的变化；

如图3所示，所示功率指示器包括：

电桥模块、信号处理及反馈模块和显示模块；

所述电桥模块置于所述功率指示器内，用于感知所述工作负载和参考负载的温度变化，包括第一感温电阻器R1、第二感温电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4，上述四个电阻器分别作为电桥的一个桥臂，所述电桥模块还包括第一直流加热电阻器R5和第二直流加热电阻器R6；

所述第一感温电阻器R1的第一端接地，第二端与所述第三电阻器R3第一端相连接，所述第三电阻器R3的第二端与同步检波器的第三端相连接；

所述第二感温电阻器R2的第一端接地，第二端与所述第四电阻器R4的第一端相连接，所述第四电阻器R4的第二端与所述同步检波器的第三端相连接。

所述第一直流加热电阻器R5的第一端接地，第二端与平方检波器的第一端口相连；所述第二直流加热电阻器R6的第一端接地，第二端与偏置功率的第一端相连。

所述信号处理及反馈模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、同步检波器、直流放大器、平方检波器、量程变换器、偏置放大器和偏置功率；所述信号处理及反馈模块接收所述电桥模块产生的差分信号，对所述差分信号进行放大、同步检波、直流放大、平方检波、量程变换和偏置处理后生成直流反馈信号反馈至所述电桥模块；

所述第一运算放大器的第一输入端与所述第一感温电阻器R1的第二端相连，第二输入端与所述第二感温电阻器R2的第二端相连，第一输出端与所述第二运算放大器的第三输入端相连接；所述第二运算放大器的第二输出端与所述同步检波器的第一端口相连，所述同步检波器的第二端与所述直流放大器的第四输入端相连接，第三端与正弦波振荡器相连接；所述直流放大器的第一端与所述量程变换器的第二端相连接，第二端与所述偏置放大器的第五输入端相连，所述偏置放大器的第六输入端与所述量程变换器第三端相连接，第五输出端用于输出包含测量得到的功率值的电信号；所述量程变换器的第一端与所述偏置功率的第二端相连。

所述电桥模块用于产生差分信号和接收所述直流反馈信号，具体的，毫米波波导功率计初始开机状态，所述参考负载和工作负载上加入直流功率，温度近似相等；所述工作负载上加入毫米波信号后温度会增高，其上的第一感温电阻器R1阻值发生变化，电桥失去平衡，产生差分信号；所述第一感温电阻器R1采用铂电阻；

具体的，所述第二直流加热电阻器R6接收所述直流反馈信号，温度上升至与所述第一直流加热电阻器R5相同，所述第二感温电阻R2感知其温度变化，电桥模块恢复平衡，两负载的温差基本保持不变，所述工作负载上的直流功率变化量与毫米波信号的功率量值相等，由直流/毫米波功率替代原理，得到毫米波功率的量值，有显示模块显示所述量值。所述显示模块包括数字显示器，用于显示测得的毫米波功率。

本发明中的毫米波波导功率计基于直流/毫米波功率替代原理，将毫米波功率的量值直接溯源至直流功率，因此测量准确度较高，可用做毫米波功率标准的主标准器，解决现在由于缺乏工作标准，导致毫米波频段功率标准无法研建的问题。

本发明中的毫米波波导功率计采用双负载量热技术及电桥式负反馈回路，分别研制了量热式功率敏感器及配套功率指示器。功率敏感器频率覆盖140GHz～220GHz，波导尺寸为WR05，功率测量范围200μW～200mW，输入驻波小于1.20，具有频带宽、动态范围大、阻抗匹配好等优点。功率指示器为电桥式负反馈指示器，整体热时间常数小，单频点测量时间小于1min，具有测量准确度高、测量快速便捷的优点。由于原理具有通用性，因此该功率计具备广泛的推广应用前景，其他频段的功率计也可参照使用。

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 (7)

1.一种基于量热技术的毫米波波导功率计，其特征在于，

包括：功率敏感器和功率指示器，所述功率敏感器接收外界的毫米波信号，实现毫米波功率和直流功率的替代，其信号输出端与所述功率指示器的信号输入端相连，所述功率指示器用于测量并显示所述毫米波信号的功率值；

所述功率指示器为电桥式负反馈指示器包括：电桥模块、信号处理及反馈模块和显示模块；所述电桥模块置于所述功率敏感器内，用于感知温度信号变化产生差分信号；所述信号处理及反馈模块接收所述差分信号，进行放大、同步检波、直流放大处理后生成直流反馈信号反馈至所述电桥模块；

所述功率敏感器采用双负载形式，包括：

隔热内桶以及其围成的腔室，所述隔热内桶具有第一内通孔；

工作负载，用于吸收毫米波功率实现毫米波功率和直流功率的替代，所述工作负载一端附有第一感温电阻器R1和第一直流加热电阻器R5，另一端穿过第一内通孔与隔热传输波导连接；

参考负载，所述参考负载的一端附有第二感温电阻器R2和第二直流加热电阻器R6，另一端与所述隔热内桶内壁粘接；

隔热外桶，所述隔热外桶与隔热内桶通过绝缘支撑固定且之间具有间隙，所述隔热外桶与所述第一内通孔对应的位置处具有第一外通孔；

所述功率敏感器还包括：

外部连接波导，所述外部连接波导穿过第一外通孔与所述隔热传输波导连接，用于接收所述毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的毫米波波导功率计，其特征在于，

所述隔热外桶与隔热内桶之间的间隙与桶内均填充有隔热材料粉末。

3.根据权利要求1所述的毫米波波导功率计，其特征在于，

所述电桥模块包括所述第一感温电阻器R1、所述第二感温电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4；

所述第一感温电阻器R1的第一端接地，第二端与所述第三电阻器R3第一端相连接，所述第三电阻器R3的第二端与同步检波器的第三端相连接；

所述第二感温电阻器R2的第一端接地，第二端与所述第四电阻器R4的第一端相连接，所述第四电阻器R4的第二端与所述同步检波器的第三端相连接。

4.根据权利要求3所述的毫米波波导功率计，其特征在于，

所述电桥模块还包括所述第一直流加热电阻器R5和所述第二直流加热电阻器R6，所述第一直流加热电阻器R5的第一端接地，第二端与平方检波器的第一端相连；所述第二直流加热电阻器R6的第一端接地，第二端与偏置功率的第一端相连。

5.根据权利要求1所述的毫米波波导功率计，其特征在于，

所述信号处理及反馈模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、同步检波器、直流放大器、平方检波器、量程变换器、偏置放大器和偏置功率；

所述第一运算放大器的第一输入端与所述第一感温电阻器R1的第二端相连，第二输入端与所述第二感温电阻器R2的第二端相连，第一输出端与所述第二运算放大器的第三输入端相连接；所述第二运算放大器的第二输出端与所述同步检波器的第一端相连，所述同步检波器的第二端与所述直流放大器的第四输入端相连接，第三端与正弦波振荡器相连接；所述直流放大器的第一端与所述量程变换器的第二端相连接，第二端口与所述偏置放大器的第五输入端相连，所述偏置放大器的第六输入端与所述量程变换器第三端相连接，第五输出端用于输出包含测量的功率值的电信号；所述量程变换器的第一端与所述偏置功率的第二端相连接。

6.根据权利要求1所述的毫米波波导功率计，其特征在于，

所述电桥模块还用于接收所述直流反馈信号，具体的，所述第二直流加热电阻器R6接收所述直流反馈信号，温度上升至与所述第一直流加热电阻器R5相同，所述第二感温电阻R2感知其温度变化，使得所述电桥模块恢复平衡。

7.根据权利要求1所述的毫米波波导功率计，其特征在于，

所述显示模块包括数字显示器，用于显示测得的毫米波功率。