CN114323305B - 一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，包括：冷板(1)、均温体(2)、加热膜(3)、辐射体(4)、腔式均温体(5)、控温体(6)、可控温屏蔽筒(7)、温度传感器(8)、杜瓦管(9)、固定件(10)和温度控制器(11)。将冷板(1)产生的温度场经均温体(2)、加热膜(3)、腔式均温体(5)传递到辐射体(4)上；同时利用可控温屏蔽外筒对倒锥形辐射体(4)的物理温度场进行优化调节，本发明可以解决目前盘绕液体管路形式的锥形腔体毫米波辐射计定标源只能工作在液氮温度点和很窄的水循环温区的问题，可实现覆盖液氮温度点、水循环温区及其空白区间内的连续精确变温。

Description

一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源

技术领域

本发明涉及一种毫米波辐射计变温定标源，特别是一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源。

背景技术

毫米波与太赫兹辐射计广泛应用于大气温度遥感、大气湿度遥感、临边探测、宇宙背景探测、射电天文等领域。辐射计本质上是一种接收物体自然辐射的高灵敏度接收机，需要能够输出标准亮温度信号的定标源为其进行定标校准。上述应用场景中的绝大多数都为星载平台，需要在发射前对这些毫米波与太赫兹辐射计进行真空模拟环境下的测试，真空环境下的变温定标源则可以对辐射计的观测精度、线性度、稳定性等关键指标进行定标校准，是确保定量化遥感的关键实验步骤。

在50GHz以上频段，尤其是110GHz以上，具有倒锥形状的定标源具有发射率高、温度梯度小、体积适中等优点，已逐渐成为新一代毫米波与太赫兹辐射计定标源的热门候选。但由于其结构的特殊性，对倒锥形状的定标源进行变温控制是面临的主要难题。

目前的锥形腔体结构定标源都是采用在锥形腔体结构金属基体的外侧盘绕螺线形状的液体管路来控制其物理温度，并将温度传导至辐射体上。当通液氮时定标源的物理温度即为液氮温度，约-196℃；当通液态水时，一般可在5℃到40℃之间进行变温。而辐射计的观测精度、线性度、稳定性等关键指标通常需要在-190℃到60℃之间测试，因此现有的倒锥形状定标源还无法对辐射计的关键指标进行全面测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，解决以往辐射计的观测精度、线性度、稳定性等关键指标通常需要在-190℃到60℃之间测试，现有的倒锥形状定标源还无法对辐射计的关键指标进行全面测试的问题。

一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，包括：冷板、均温体、加热膜、辐射体、腔式均温体、控温体、可控温屏蔽筒、温度传感器、杜瓦管、固定件和温度控制器。

冷板为圆形轮廓的金属平板，冷板内部均匀盘绕着管线，管线有输入口和输出口，管线输出口与可控温屏蔽筒的输入口通过杜瓦管连接，温度传感器固定在冷板内部，均温体置于冷板上方，均温体与冷板接触。均温体为圆柱形结构，中心有通孔。加热膜置于均温体上方，加热膜与均温体形状相同，加热膜与温度控制器连接。辐射体是由吸波材料制成的圆锥壳，辐射体通过固定件与腔式均温体内表面紧密接触，辐射体与腔式均温体之间涂抹导热脂。腔式均温体底面为圆形，腔式均温体内壁的上部为与辐射体下部匹配的圆锥形表面，腔式均温体内壁的下部为中空结构，辐射体的尖部从腔式均温体的中空结构穿出，腔式均温体内壁与辐射体外壁之间的接触面涂抹导热脂，腔式均温体内部安装有温度传感器。控温体与从腔式均温体中空结构穿出的辐射体的尖部在结构上进行匹配，控温体内部有温度传感器。腔式均温体外面放置可控温屏蔽筒，可控温屏蔽筒外部均匀分布金属管线，金属管线一端与冷板的出气口连接，金属管线另一端通过杜瓦管将氮气排放到真空罐外，可控温屏蔽筒内侧贴有加热膜和温度传感器。所有的温度传感器与温度控制器连接。冷板的氮气输出口与可控温屏蔽筒的氮气输入口通过杜瓦管连接。

优选的，冷板的材料为纯铜。

优选的，冷板内部均匀盘绕着通过液氮的管线。

优选的，冷板内部均匀盘绕着通过低温氮气的管线。

优选的，均温体的通孔直径为圆柱直径的1/5至1/4。

优选的，腔式均温体的材料为金属。

本发明将冷板产生的温度场经均温体、加热膜、腔式均温体传递到辐射体上；同时利用可控温屏蔽外筒对倒锥形辐射体的物理温度场进行优化调节，从而解决目前倒锥形状的毫米波辐射计定标源只能工作在液氮温度点和很窄的水循环温区的问题，实现了物理温度从液氮到室温以上全温区连续可调。本发明所述装置可以解决目前盘绕液体管路形式的锥形腔体毫米波辐射计定标源只能工作在液氮温度点和很窄的水循环温区的问题，可实现覆盖液氮温度点、水循环温区及其空白区间内的连续精确变温。

附图说明

图1是盘绕液体管路形式的锥形腔体毫米波辐射计定标源示意图；

图2是一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源示意图；

图3是冷板示意图；

图4是辐射体示意图；

图5是腔式均温体示意图；

图6是控温体示意图；

图7是可控温屏蔽筒示意图。

1.冷板 2.均温体 3.加热膜

4.辐射体 5.腔式均温体 6.控温体

7.可控温屏蔽筒 8.温度传感器 9.杜瓦管

10.固定件 11.温度控制器

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，如图2-7所示，包括：冷板1、均温体2、加热膜3、辐射体4、腔式均温体5、控温体6、可控温屏蔽筒7、温度传感器8、杜瓦管9、固定件10和温度控制器11。

冷板1为圆形轮廓的金属平板，优选纯铜材料。在冷板1内部均匀盘绕着可通过液氮或低温氮气的管线。冷板1具有一个液氮/氮气输入口和一个氮气输出口；通过杜瓦管9连接冷板1的氮气输出口和可控温屏蔽筒7的氮气输入口；冷板1内有温度传感器8，温度传感器8与温度控制器11连接，温度控制器11可以控制通过杜瓦管9进入冷板1内部的液氮/氮气的通量。

冷板1上方为均温体2。均温体2具有中心通孔的圆柱形轮廓，通孔直径不小于圆柱直径的1/5。均温体2下表面与冷板1相接触。均温体2的作用是将冷板1上表面的温度场进一步均匀化。

均温体2上面是形状与均温体2一致的加热膜3，用于提升均温体2的物理温度。加热膜3与温度控制器11相连，温度控制器11通过腔式均温体5内部温度传感器8的数值判断需要给加热膜3施加多大的加热功率。

辐射体4是输出标准亮温度信号的部分，是由吸波材料制成的圆锥壳。通过辐射体4固定件10与腔式均温体5内表面紧密接触，在两者之间需要涂抹导热脂。

腔式均温体5用于将温度场均匀后传递给辐射体4。腔式均温体5底面为圆形，与加热膜3和均温体2连接；腔式均温体5内壁为与辐射体4匹配的圆锥形表面，尖部除外，并与辐射体4通过导热脂连接；辐射体4的尖部从腔式均温体5中空位置穿出；腔式均温体5内部安装有温度传感器8，温度控制器11根据温度传感器8的数值来控制加热膜3的功率和注入冷板1内液氮/氮气的通量。腔式均温体5的材料为金属。

控温体6与从腔式均温体5中空位置穿出的辐射体4的尖部在结构上匹配，用于对辐射体4的尖部进行加热控温。控温体6内部有与温度控制器11相连的温度传感器8，温度控制器11根据温度传感器8的温度提供相应的加热功率。

由于腔式均温体5的圆柱形外表面容易受到真空模拟环境的影响，导致均匀性恶化，本发明通过在腔式均温体5的外面放置可控温屏蔽外筒来解决此问题。可控温屏蔽外筒作用是提供一个与腔式均温体5物理温度近似的温度辐射背景，当可控温屏蔽外筒与腔式均温体5外表面之间的温差在20K以内时，辐射换热对的腔式均温体5温度均匀性的影响可以忽略。可控温屏蔽外筒外部设计有均匀分布的金属管线，管线一端和冷板1的出气口相连，另一端通过杜瓦管9将氮气排放到真空罐外。可控温屏蔽外筒的内侧贴有加热膜3和温度传感器8，温度控制器11根据温度传感器8的测量值决定加热功率的大小。

温度传感器8分别安装于冷板1、腔式均温体5、控温体6、可控温屏蔽筒7的上面，用于为温度控制器11反馈信息，调整温度控制器11控制参数。

杜瓦管9用于提供液氮/氮气混合物给冷板1；连接冷板1和可控温屏蔽筒7；将可控温屏蔽筒7排出的氮气引到真空罐外。液氮/氮气通过杜瓦管9进入冷板1的液氮/氮气输入口，冷板1的氮气输出口与可控温屏蔽筒7的氮气输入口通过杜瓦管9连接，可控温屏蔽筒7的氮气输出口通过杜瓦管9将排出的氮气引到真空罐外。

辐射体4固定件10用于将辐射体4固定在腔式均温体5上。

温度控制器11用于控制冷板1的温度，包括制冷和加热功能；为控温体6和可控温屏蔽筒7提供加热功能。

可控温屏蔽筒7内侧贴的也是加热膜，与图中加热膜3的位置和形状不同，两者没有其他连接，是独立控制的。

本发明解决的技术问题：

本发明的目的在于提出一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，采用冷板1、均温体2、加热膜3、辐射体4、腔式均温体5、控温体6、可控温屏蔽筒7、温度传感器8、杜瓦管9、固定件10、温度控制器11。

本发明将冷板1产生并经均温体2平滑的温度场传递到倒锥形辐射体4上；同时利用可控温屏蔽外筒对倒锥形辐射体4的物理温度场进行优化调节，从而解决目前倒锥形状的毫米波辐射计定标源只能工作在液氮温度点和很窄的水循环温区的问题，实现了物理温度从液氮到室温以上全温区连续可调。

本发明的技术方案：

一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，采用冷板1、均温体2、加热膜3、辐射体4、腔式均温体5、控温体6、可控温屏蔽筒7、温度传感器8、杜瓦管9、固定件10、温度控制器11。

本发明将冷板1产生的温度场经均温体2、加热膜3、腔式均温体5传递到辐射体4上；同时利用可控温屏蔽外筒对倒锥形辐射体4的物理温度场进行优化调节，从而解决目前倒锥形状的毫米波辐射计定标源只能工作在液氮温度点和很窄的水循环温区的问题，实现了物理温度从液氮到室温以上全温区连续可调。

本发明的有益效果：

本发明所述装置可以解决目前盘绕液体管路形式的锥形腔体毫米波辐射计定标源只能工作在液氮温度点和很窄的水循环温区的问题，可实现覆盖液氮温度点、水循环温区及其空白区间内的连续精确变温。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，其特征在于，包括：冷板(1)、均温体(2)、加热膜(3)、辐射体(4)、腔式均温体(5)、控温体(6)、可控温屏蔽筒(7)、温度传感器(8)、杜瓦管(9)、固定件(10)和温度控制器(11)；

冷板(1)为圆形轮廓的金属平板，冷板(1)内部均匀盘绕着管线，管线有输入口和输出口，管线输出口与可控温屏蔽筒(7)的输入口通过杜瓦管(9)连接，温度传感器(8)固定在冷板(1)内部，均温体(2)置于冷板(1)上方，均温体(2)与冷板(1)接触；均温体(2)为圆柱形结构，中心有通孔；加热膜(3)置于均温体(2)上方，加热膜(3)与均温体(2)形状相同，加热膜(3)与温度控制器(11)连接；辐射体(4)是由吸波材料制成的圆锥壳，辐射体(4)通过固定件(10)与腔式均温体(5)内表面紧密接触，辐射体(4)与腔式均温体(5)之间涂抹导热脂；腔式均温体(5)底面为圆形，腔式均温体(5)内壁的上部为与辐射体(4)下部匹配的圆锥形表面，腔式均温体(5)内壁的下部为中空结构，辐射体(4)的尖部从腔式均温体(5)的中空结构穿出，腔式均温体(5)内壁与辐射体(4)外壁之间的接触面涂抹导热脂，腔式均温体(5)内部安装有温度传感器(8)；控温体(6)与从腔式均温体(5)中空结构穿出的辐射体(4)的尖部在结构上进行匹配，控温体(6)内部有温度传感器(8)；腔式均温体(5)外面放置可控温屏蔽筒(7)，可控温屏蔽筒(7)外部均匀分布金属管线，金属管线一端与冷板(1)的出气口连接，金属管线另一端通过杜瓦管(9)将氮气排放到真空罐外，可控温屏蔽筒(7)内侧贴有加热膜和温度传感器(8)；所有的温度传感器(8)与温度控制器(11)连接；冷板(1)的氮气输出口与可控温屏蔽筒(7)的氮气输入口通过杜瓦管(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，其特征在于，冷板(1)的材料为纯铜。

3.根据权利要求1或2所述的一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，其特征在于，冷板(1)内部均匀盘绕着通过液氮的管线。

4.根据权利要求1或2所述的一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，其特征在于，冷板(1)内部均匀盘绕着通过低温氮气的管线。

5.根据权利要求1所述的一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，其特征在于，均温体(2)的通孔直径为圆柱直径的1/5至1/4。

6.根据权利要求1所述的一种真空环境下锥形腔体结构的毫米波辐射计变温定标源，其特征在于，腔式均温体(5)的材料为金属。