專利名稱：毫米波功率傳感器及具有該毫米波功率傳感器的量熱計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及毫米波功率基準測量技術領域，特別地涉及一種毫米波功率傳感器以及具有該毫米波功率傳感器的量熱計。
背景技術：
由于毫米波無線電工業(yè)生產(chǎn)、科學研究、國際貿(mào)易等活動，都需要對毫米波的電子設備、測量儀器等進行功率測量，因此功率測量需要建立國家基準。世界各國都建立自己國家的功率基準，大部分采用微量熱計技術，其基本原理是對精密控溫的功率吸收量熱體 (熱敏電阻座)分別加入毫米波功率和直流功率，如果產(chǎn)生相同的熱效應，則認為毫米波功率等于直流功率。傳統(tǒng)的微量熱計由控溫桶、熱參考端、熱電堆、隔熱段、熱敏電阻座組成。這種微量熱計存在2個主要缺點和問題一是核心器件熱敏電阻座的阻抗匹配差，駐波大，從而影響了測量準確度。這是因為熱敏電阻座吸收毫米波功率和直流功率的量熱體是一個很細小的熱敏電阻珠，其直徑尺寸只有零點幾毫米，如此小的尺寸很難做到在26. 5-40GHZ這樣寬的頻帶內(nèi)的高匹配，其駐波比達到了 1. 3以上。這樣參考標準的測量不確定度達到約為1. 5% (k = 2)的水平。二是核心器件熱敏電阻座在我國買不到，熱敏電阻座作為參考標準，其需求量小， 一般其他國家是由大型電子儀器公司為該國計量院定制少量，夠用即可。我國沒有這個能力自己生產(chǎn)，國外公司不愿意給我們定制，對我國形成了壟斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題，特別創(chuàng)新地提出了一種毫米波功率傳感器及具有該毫米波功率傳感器的量熱計。為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，本發(fā)明提供了一種毫米波功率傳感器，其包括波導負載及其圍成的波導腔體，所述波導負載一端開口，另一端短路形成后端面；毫米波功率吸收體，所述毫米波功率吸收體形成在所述波導負載的內(nèi)壁上； 加熱元件，所述加熱元件形成在所述波導負載的外壁上；測溫元件，所述測溫元件形成在所述波導負載的后端面處、用于測量所述波導負載的溫度。本發(fā)明的毫米波功率傳感器采用吸收效率高的毫米波功率吸收體，并在高匹配毫米波負載內(nèi)加入直流加熱部件，測溫元件，使其能夠?qū)撩撞üβ始爸绷鞴β仕a(chǎn)生的溫度變化進行測量，該毫米波功率傳感器阻抗匹配性好，駐波小，測量準確度高。另外，本發(fā)明的毫米波功率傳感器是自主設計的功率傳感器，打破了國際技術壟斷問題。使我國具備了測量5-40GHz)功率的能力，能夠支撐科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、國際貿(mào)易等社會活動。為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種量熱計，其包括內(nèi)層桶及其圍成的腔室，在所述內(nèi)層桶的頂部具有兩個內(nèi)通孔；外層桶，所述外層桶與內(nèi)層桶之間具有間隙，在所述外層桶頂部與內(nèi)通孔對應的位置處具有兩個外通孔；第一傳輸輸線，所述第一傳輸線和所述第二傳輸線分別從外層桶外部穿過所述一個外通孔和其對應位置處的一個內(nèi)通孔延伸到內(nèi)層桶的腔室內(nèi)，在所述腔室內(nèi)的，所述第一傳輸線的末端連接有第一隔熱段，所述第二傳輸線的末端連接有第二隔熱段；基準座、參考座， 所述基準座為權利要求1-7任一項所述的毫米波功率傳感器，所述基準座通過法蘭連接在所述第一隔熱段之上，所述參考座通過法蘭連接在所述第二隔熱段之上，待測信號通過所述第一傳輸線輸入到所述基準座中；熱敏電阻，所述熱敏電阻分別形成在所述基準座和所述參考座上、用于反映所述第基準座和所述參考座的溫度變化；測溫電橋，所述測溫電橋分別與所述基準座和所述參考座的熱敏電阻相連、用于檢測基準座的溫升并將溫升轉(zhuǎn)換成電信號。
本發(fā)明的量熱計采用內(nèi)外雙層桶設計，使工作端和參考端的溫度受環(huán)境溫度的影響降到非常小，提高了測量精度。另外，本發(fā)明采用高匹配的毫米波功率傳感器，其阻抗匹配性好，駐波小，測量準確度高。另外，本發(fā)明的量熱計是自主設計，打破了國際技術壟斷問題。使我國具備了測量WM8 5-40GHZ)功率的能力，能夠支撐科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、國際貿(mào)易等社會活動。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1是本發(fā)明毫米波功率傳感器的結(jié)構示意圖2是本發(fā)明量熱計的結(jié)構示意圖。
附圖標記
1波導負載；2毫米波功率吸收體；3加熱元件；4測溫元件；5內(nèi)層桶；6外層桶；7 第一傳輸線；8第二傳輸線；9基準座；10參考座；11熱敏電阻；12測溫電橋；13第一隔熱段；14第二隔熱段。
具體實施方式
下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術語“安裝”、“相連”、 “連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語的具體含義。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的毫米波功率傳感器的結(jié)構示意圖，從圖中可見，該毫米波功率傳感器用于實現(xiàn)毫米波功率到直流功率的轉(zhuǎn)換，其包括波導負載 1，該波導負載1的基材是一段終端短路的金屬波導，采用對應26. 5GHz 40GHz頻段國際型號為WI^S的矩形波導，該波導負載1形成一個波導腔體，其一端開口，另一端短路形成后端面，對于毫米波信號而言，波導負載1相當于一個終端式低反射匹配負載。在本實施方式中，毫米波功率吸收體2形成在波導負載1的內(nèi)壁上，該毫米波功率吸收體2用高吸收率的羰基鐵制成，其頻段寬，磁導率和電導率大，吸收毫米波的能力強。 為減少反射，毫米波功率吸收體2被設計為楔型，楔型的尾端與波導負載1的后端面接觸， 楔型沿波導負載1的內(nèi)壁延伸且其尖端靠近波導負載的開口，這樣的毫米波功率吸收體2 相當于一段有耗的漸變傳輸線。加熱元件3形成在波導負載1的外壁上，該加熱元件3為薄膜熱電阻片或陶瓷電阻片，毫米波功率傳感器工作時，在加熱元件3上施加直流功率，毫米波信號與直流功率產(chǎn)生的熱量均會使毫米波功率傳感器的溫度發(fā)生變化，當毫米波信號的頻率、電平，毫米波功率傳感器自身物理特性及毫米波功率傳感器工作環(huán)境等工作條件確定后，二者對測溫點的作用關系也是確定的，習慣上將它們的不等效程度用“替代效率”加以描述。測溫元件4形成在波導負載1的后端面處、用于測量波導負載1的溫度。在本實施方式中，測溫元件4采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻珠，它用來測量波導壁溫度變化情況。加毫米波功率時，毫米波功率傳感器前端吸收熱量多，可以認為熱源在吸收體前端，測溫元件4 如若放在遠離熱源的波導后蓋上，平均的熱效應幾乎消除了波導負載上功率耗散的不均勻性。因此本實施方式中，在波導負載的后端面有開口方向與波導腔反方向的不通透的孔，測溫元件4埋在孔內(nèi)。即在波導負載后端面中間打孔，孔不能打通，將熱敏電阻珠埋在孔內(nèi)， 并用導熱膠將孔封住，既不影響熱敏電阻珠的敏感度，又防止熱敏電阻珠脫落。在波導腔體內(nèi)塞滿隔熱材料，該隔熱材料不影響波導負載的反射系數(shù)，對毫米波 “透明”，這樣毫米波吸收體上熱量沿波導壁傳播，可使加熱元件上施加的直流功率和毫米波信號對測溫點貢獻盡量一致，從而提高替代效率。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的采用本發(fā)明的毫米波功率傳感器的量熱計，考慮到盡量減少環(huán)境溫度漂移對基準工作的影響，在量熱計結(jié)構設計上，基準采用了雙層桶。其中，內(nèi)層桶5圍成一個腔室，在內(nèi)層桶5的頂部具有兩個內(nèi)通孔；外層桶6與內(nèi)層桶5之間具有間隙，在外層桶6頂部與內(nèi)通孔對應的位置處具有兩個外通孔。該量熱計具有第一傳輸線7和第二傳輸線8，第一傳輸線7和第二傳輸線8分別從外層桶6外部穿過一個外通孔和其對應位置處的一個內(nèi)通孔延伸到內(nèi)層桶5的腔室內(nèi)，在內(nèi)層桶5的腔室內(nèi)的，第一傳輸線7的末端連接有第一隔熱段13，第二傳輸線8的末端連接有第二隔熱段14，該第一隔熱段13和第二隔熱段14采用熱阻比較大、隔熱效果好的ABS材料，提高功率測量靈敏度。該量熱計具有基準座9和參考座10，基準座9為本發(fā)明的毫米波功率傳感器，該基準座9通過第一法蘭連接在第一隔熱段13之上，參考座10通過第二法蘭連接在第二隔熱段14之上，第一法蘭和第二法蘭在圖2中沒有示出。本發(fā)明的兩層桶均用大質(zhì)量大熱容小熱阻的銅質(zhì)材料制成，可以均衡外界溫度變化；內(nèi)層桶5和外層桶6之間的間隙用隔熱保溫材料填充；同時裝置的頂部配有一個有機玻璃蓋，所有引線均從蓋的開槽處通過。采用以上結(jié)構設計，目的是將環(huán)境溫度對內(nèi)層桶的溫度傳感系統(tǒng)的影響降到最小。另外，本發(fā)明量熱計的雙負載結(jié)構可減少溫度漂移對測試結(jié)果的影響，當基準座和參考座所處環(huán)境溫度變化時，兩者溫度都將發(fā)生變化，但基準座和參考座之間的溫度差相比于環(huán)境溫度變化量將很小。
本發(fā)明的量熱計在工作時，待測毫米波信號通過第一傳輸線7輸入到基準座9中， 毫米波功率吸收體吸收毫米波信號并使基準座9溫度上升。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，第一傳輸線可以為兩段，在內(nèi)層桶5與外層桶6的間隙中貼近內(nèi)通孔的位置處通過隔熱段連接；第二傳輸線也可以為兩段，也在內(nèi)層桶與外層桶的間隙中貼近內(nèi)通孔的位置處通過隔熱段連接。
在基準座9和參考座10上設置有熱敏電阻11，兩座上的熱敏電阻11分別連接至測溫電橋12的兩個臂上，用于反映基準座9和參考座10的溫度變化，檢測基準座9的溫升并將溫升轉(zhuǎn)換成電信號。
在本發(fā)明的另外的優(yōu)選實施例中，在第一法蘭表面貼有一層隔熱膜，防止毫米波吸收體熱量通過第一傳輸線的矩形腔傳播，使毫米波功率全部被傳輸?shù)讲▽П?，是測量更加準確。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。權利要求
1.一種毫米波功率傳感器，其特征在于，包括波導負載(1)及其圍成的波導腔體，所述波導負載(1) 一端開口，另一端短路形成后端面；毫米波功率吸收體O)，所述毫米波功率吸收體(2)形成在所述波導負載(1)的內(nèi)壁上；加熱元件(3)，所述加熱元件C3)形成在所述波導負載(1)的外壁上； 測溫元件G)，所述測溫元件(4)形成在所述波導負載(1)的后端面處、用于測量所述波導負載(1)的溫度。
2.如權利要求1所述的毫米波功率傳感器，其特征在于，所述毫米波功率吸收體(2)為楔型，所述楔型的尾端與所述波導負載的后端面接觸，所述楔型沿所述波導負載(1)的內(nèi)壁延伸且其尖端靠近所述波導負載(1)的開口。
3.如權利要求1或2所述的毫米波功率傳感器，其特征在于，所述毫米波功率吸收體 (2)的材料為羰基鐵。
4.如權利要求1所述的毫米波功率傳感器，其特征在于，所述加熱元件(3)為薄膜熱電阻片或陶瓷電阻片。
5.如權利要求1所述的毫米波功率傳感器，其特征在于，所述測溫元件(4)采為負溫度系數(shù)的熱敏電阻珠。
6.如權利要求1或5所述的毫米波功率傳感器，其特征在于，所述波導負載(1)的后端面具有開口方向與波導腔反方向的不通透的孔，所述測溫元件(4)埋在所述孔內(nèi)。
7.如權利要求1-6任一項所述的毫米波功率傳感器，其特征在于，在所述波導腔體內(nèi)塞滿隔熱材料。
8.一種量熱計，其特征在于，包括內(nèi)層桶( 及其圍成的腔室，在所述內(nèi)層桶(5)的頂部具有兩個內(nèi)通孔； 外層桶(6)，所述外層桶(6)與內(nèi)層桶( 之間具有間隙，在所述外層桶(6)頂部與內(nèi)通孔對應的位置處具有兩個外通孔；第一傳輸線(7)、第二傳輸線(8)，所述第一傳輸線(7)和所述第二傳輸線(8)分別從外層桶(6)外部穿過所述一個外通孔和其對應位置處的一個內(nèi)通孔延伸到內(nèi)層桶( 的腔室內(nèi)，在所述腔室內(nèi)的，所述第一傳輸線(7)的末端連接有第一隔熱段(13)，所述第二傳輸線⑶的末端連接有第二隔熱段(14)；基準座(9)、參考座(10)，所述基準座(9)為權利要求1-7任一項所述的毫米波功率傳感器，所述基準座(9)通過法蘭連接在所述第一隔熱段(1 之上，所述參考座(10)通過法蘭連接在所述第二隔熱段(14)之上，待測信號通過所述第一傳輸線輸入(7)到所述基準座 (9)中；熱敏電阻(11)，所述熱敏電阻(11)分別形成在所述基準座(9)和所述參考座(10)上、 用于反映所述基準座⑶)和所述參考座(10)的溫度變化；測溫電橋(12)，所述測溫電橋(12)分別與所述基準座(9)和所述參考座(10)的熱敏電阻(11)相連、用于檢測基準座(9)的溫升并將溫升轉(zhuǎn)換成電信號。
9.如權利要求8所述的量熱計，其特征在于，所述內(nèi)層桶(5)與外層桶(6)之間的間隙填充有隔熱保溫材料。
10.如權利要求8或9所述的量熱計，其特征在于，所述第一傳輸線(7)和第二傳輸線 (8)分別為兩段，在內(nèi)層桶( 與外層桶(6)的間隙中貼近內(nèi)通孔的位置處通過隔熱段連接。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種毫米波功率傳感器及具有該毫米波功率傳感器的量熱計。該毫米波功率傳感器包括波導負載、毫米波功率吸收體、加熱元件、測溫元件。該量熱計包括內(nèi)層桶、外層桶、第一傳輸線、第二傳輸線、基準座、參考座、熱敏電阻、測溫電橋。本發(fā)明的毫米波功率傳感器采用吸收效率高的毫米波功率吸收體，并在高匹配毫米波負載內(nèi)加入直流加熱部件，測溫元件，使其能夠?qū)撩撞üβ始爸绷鞴β仕a(chǎn)生的溫度變化進行測量，其阻抗匹配性好，駐波小，測量準確度高。另外，本發(fā)明的毫米波功率傳感器和量熱計是自主設計，打破了國際技術壟斷問題。使我國具備了測量WR28(26.5-40GHz)功率的能力，能夠支撐科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、國際貿(mào)易等社會活動。
文檔編號G01K7/22GK102507036SQ201110375260
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權日2011年11月23日
發(fā)明者崔孝海, 張越, 李勇, 陶毅 申請人:中國計量科學研究院