专利名称：毫米波功率传感器及具有该毫米波功率传感器的量热计的制作方法
技术领域：
本发明涉及毫米波功率基准测量技术领域，特别地涉及一种毫米波功率传感器以及具有该毫米波功率传感器的量热计。
背景技术：
由于毫米波无线电工业生产、科学研究、国际贸易等活动，都需要对毫米波的电子设备、测量仪器等进行功率测量，因此功率测量需要建立国家基准。世界各国都建立自己国家的功率基准，大部分采用微量热计技术，其基本原理是对精密控温的功率吸收量热体 (热敏电阻座)分别加入毫米波功率和直流功率，如果产生相同的热效应，则认为毫米波功率等于直流功率。传统的微量热计由控温桶、热参考端、热电堆、隔热段、热敏电阻座组成。这种微量热计存在2个主要缺点和问题一是核心器件热敏电阻座的阻抗匹配差，驻波大，从而影响了测量准确度。这是因为热敏电阻座吸收毫米波功率和直流功率的量热体是一个很细小的热敏电阻珠，其直径尺寸只有零点几毫米，如此小的尺寸很难做到在26. 5-40GHZ这样宽的频带内的高匹配，其驻波比达到了 1. 3以上。这样参考标准的测量不确定度达到约为1. 5% (k = 2)的水平。二是核心器件热敏电阻座在我国买不到，热敏电阻座作为参考标准，其需求量小， 一般其他国家是由大型电子仪器公司为该国计量院定制少量，够用即可。我国没有这个能力自己生产，国外公司不愿意给我们定制，对我国形成了垄断。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种毫米波功率传感器及具有该毫米波功率传感器的量热计。为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种毫米波功率传感器，其包括波导负载及其围成的波导腔体，所述波导负载一端开口，另一端短路形成后端面；毫米波功率吸收体，所述毫米波功率吸收体形成在所述波导负载的内壁上； 加热元件，所述加热元件形成在所述波导负载的外壁上；测温元件，所述测温元件形成在所述波导负载的后端面处、用于测量所述波导负载的温度。本发明的毫米波功率传感器采用吸收效率高的毫米波功率吸收体，并在高匹配毫米波负载内加入直流加热部件，测温元件，使其能够对毫米波功率及直流功率所产生的温度变化进行测量，该毫米波功率传感器阻抗匹配性好，驻波小，测量准确度高。另外，本发明的毫米波功率传感器是自主设计的功率传感器，打破了国际技术垄断问题。使我国具备了测量5-40GHz)功率的能力，能够支撑科学研究、工业生产、国际贸易等社会活动。为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，提供了一种量热计，其包括内层桶及其围成的腔室，在所述内层桶的顶部具有两个内通孔；外层桶，所述外层桶与内层桶之间具有间隙，在所述外层桶顶部与内通孔对应的位置处具有两个外通孔；第一传输输线，所述第一传输线和所述第二传输线分别从外层桶外部穿过所述一个外通孔和其对应位置处的一个内通孔延伸到内层桶的腔室内，在所述腔室内的，所述第一传输线的末端连接有第一隔热段，所述第二传输线的末端连接有第二隔热段；基准座、参考座， 所述基准座为权利要求1-7任一项所述的毫米波功率传感器，所述基准座通过法兰连接在所述第一隔热段之上，所述参考座通过法兰连接在所述第二隔热段之上，待测信号通过所述第一传输线输入到所述基准座中；热敏电阻，所述热敏电阻分别形成在所述基准座和所述参考座上、用于反映所述第基准座和所述参考座的温度变化；测温电桥，所述测温电桥分别与所述基准座和所述参考座的热敏电阻相连、用于检测基准座的温升并将温升转换成电信号。
本发明的量热计采用内外双层桶设计，使工作端和参考端的温度受环境温度的影响降到非常小，提高了测量精度。另外，本发明采用高匹配的毫米波功率传感器，其阻抗匹配性好，驻波小，测量准确度高。另外，本发明的量热计是自主设计，打破了国际技术垄断问题。使我国具备了测量WM8 5-40GHZ)功率的能力，能够支撑科学研究、工业生产、国际贸易等社会活动。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中
图1是本发明毫米波功率传感器的结构示意图2是本发明量热计的结构示意图。
附图标记
1波导负载；2毫米波功率吸收体；3加热元件；4测温元件；5内层桶；6外层桶；7 第一传输线；8第二传输线；9基准座；10参考座；11热敏电阻；12测温电桥；13第一隔热段；14第二隔热段。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”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。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。图1示出了根据本发明的一个优选实施例的毫米波功率传感器的结构示意图，从图中可见，该毫米波功率传感器用于实现毫米波功率到直流功率的转换，其包括波导负载 1，该波导负载1的基材是一段终端短路的金属波导，采用对应26. 5GHz 40GHz频段国际型号为WI^S的矩形波导，该波导负载1形成一个波导腔体，其一端开口，另一端短路形成后端面，对于毫米波信号而言，波导负载1相当于一个终端式低反射匹配负载。在本实施方式中，毫米波功率吸收体2形成在波导负载1的内壁上，该毫米波功率吸收体2用高吸收率的羰基铁制成，其频段宽，磁导率和电导率大，吸收毫米波的能力强。 为减少反射，毫米波功率吸收体2被设计为楔型，楔型的尾端与波导负载1的后端面接触， 楔型沿波导负载1的内壁延伸且其尖端靠近波导负载的开口，这样的毫米波功率吸收体2 相当于一段有耗的渐变传输线。加热元件3形成在波导负载1的外壁上，该加热元件3为薄膜热电阻片或陶瓷电阻片，毫米波功率传感器工作时，在加热元件3上施加直流功率，毫米波信号与直流功率产生的热量均会使毫米波功率传感器的温度发生变化，当毫米波信号的频率、电平，毫米波功率传感器自身物理特性及毫米波功率传感器工作环境等工作条件确定后，二者对测温点的作用关系也是确定的，习惯上将它们的不等效程度用“替代效率”加以描述。测温元件4形成在波导负载1的后端面处、用于测量波导负载1的温度。在本实施方式中，测温元件4采用负温度系数的热敏电阻珠，它用来测量波导壁温度变化情况。加毫米波功率时，毫米波功率传感器前端吸收热量多，可以认为热源在吸收体前端，测温元件4 如若放在远离热源的波导后盖上，平均的热效应几乎消除了波导负载上功率耗散的不均勻性。因此本实施方式中，在波导负载的后端面有开口方向与波导腔反方向的不通透的孔，测温元件4埋在孔内。即在波导负载后端面中间打孔，孔不能打通，将热敏电阻珠埋在孔内， 并用导热胶将孔封住，既不影响热敏电阻珠的敏感度，又防止热敏电阻珠脱落。在波导腔体内塞满隔热材料，该隔热材料不影响波导负载的反射系数，对毫米波 “透明”，这样毫米波吸收体上热量沿波导壁传播，可使加热元件上施加的直流功率和毫米波信号对测温点贡献尽量一致，从而提高替代效率。图2示出了根据本发明的一个优选实施例的采用本发明的毫米波功率传感器的量热计，考虑到尽量减少环境温度漂移对基准工作的影响，在量热计结构设计上，基准采用了双层桶。其中，内层桶5围成一个腔室，在内层桶5的顶部具有两个内通孔；外层桶6与内层桶5之间具有间隙，在外层桶6顶部与内通孔对应的位置处具有两个外通孔。该量热计具有第一传输线7和第二传输线8，第一传输线7和第二传输线8分别从外层桶6外部穿过一个外通孔和其对应位置处的一个内通孔延伸到内层桶5的腔室内，在内层桶5的腔室内的，第一传输线7的末端连接有第一隔热段13，第二传输线8的末端连接有第二隔热段14，该第一隔热段13和第二隔热段14采用热阻比较大、隔热效果好的ABS材料，提高功率测量灵敏度。该量热计具有基准座9和参考座10，基准座9为本发明的毫米波功率传感器，该基准座9通过第一法兰连接在第一隔热段13之上，参考座10通过第二法兰连接在第二隔热段14之上，第一法兰和第二法兰在图2中没有示出。本发明的两层桶均用大质量大热容小热阻的铜质材料制成，可以均衡外界温度变化；内层桶5和外层桶6之间的间隙用隔热保温材料填充；同时装置的顶部配有一个有机玻璃盖，所有引线均从盖的开槽处通过。采用以上结构设计，目的是将环境温度对内层桶的温度传感系统的影响降到最小。另外，本发明量热计的双负载结构可减少温度漂移对测试结果的影响，当基准座和参考座所处环境温度变化时，两者温度都将发生变化，但基准座和参考座之间的温度差相比于环境温度变化量将很小。
本发明的量热计在工作时，待测毫米波信号通过第一传输线7输入到基准座9中， 毫米波功率吸收体吸收毫米波信号并使基准座9温度上升。在本发明的一种优选实施方式中，第一传输线可以为两段，在内层桶5与外层桶6的间隙中贴近内通孔的位置处通过隔热段连接；第二传输线也可以为两段，也在内层桶与外层桶的间隙中贴近内通孔的位置处通过隔热段连接。
在基准座9和参考座10上设置有热敏电阻11，两座上的热敏电阻11分别连接至测温电桥12的两个臂上，用于反映基准座9和参考座10的温度变化，检测基准座9的温升并将温升转换成电信号。
在本发明的另外的优选实施例中，在第一法兰表面贴有一层隔热膜，防止毫米波吸收体热量通过第一传输线的矩形腔传播，使毫米波功率全部被传输到波导壁，是测量更加准确。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。权利要求
1.一种毫米波功率传感器，其特征在于，包括波导负载(1)及其围成的波导腔体，所述波导负载(1) 一端开口，另一端短路形成后端面；毫米波功率吸收体O)，所述毫米波功率吸收体(2)形成在所述波导负载(1)的内壁上；加热元件(3)，所述加热元件C3)形成在所述波导负载(1)的外壁上； 测温元件G)，所述测温元件(4)形成在所述波导负载(1)的后端面处、用于测量所述波导负载(1)的温度。
2.如权利要求1所述的毫米波功率传感器，其特征在于，所述毫米波功率吸收体(2)为楔型，所述楔型的尾端与所述波导负载的后端面接触，所述楔型沿所述波导负载(1)的内壁延伸且其尖端靠近所述波导负载(1)的开口。
3.如权利要求1或2所述的毫米波功率传感器，其特征在于，所述毫米波功率吸收体 (2)的材料为羰基铁。
4.如权利要求1所述的毫米波功率传感器，其特征在于，所述加热元件(3)为薄膜热电阻片或陶瓷电阻片。
5.如权利要求1所述的毫米波功率传感器，其特征在于，所述测温元件(4)采为负温度系数的热敏电阻珠。
6.如权利要求1或5所述的毫米波功率传感器，其特征在于，所述波导负载(1)的后端面具有开口方向与波导腔反方向的不通透的孔，所述测温元件(4)埋在所述孔内。
7.如权利要求1-6任一项所述的毫米波功率传感器，其特征在于，在所述波导腔体内塞满隔热材料。
8.一种量热计，其特征在于，包括内层桶( 及其围成的腔室，在所述内层桶(5)的顶部具有两个内通孔； 外层桶(6)，所述外层桶(6)与内层桶( 之间具有间隙，在所述外层桶(6)顶部与内通孔对应的位置处具有两个外通孔；第一传输线(7)、第二传输线(8)，所述第一传输线(7)和所述第二传输线(8)分别从外层桶(6)外部穿过所述一个外通孔和其对应位置处的一个内通孔延伸到内层桶( 的腔室内，在所述腔室内的，所述第一传输线(7)的末端连接有第一隔热段(13)，所述第二传输线⑶的末端连接有第二隔热段(14)；基准座(9)、参考座(10)，所述基准座(9)为权利要求1-7任一项所述的毫米波功率传感器，所述基准座(9)通过法兰连接在所述第一隔热段(1 之上，所述参考座(10)通过法兰连接在所述第二隔热段(14)之上，待测信号通过所述第一传输线输入(7)到所述基准座 (9)中；热敏电阻(11)，所述热敏电阻(11)分别形成在所述基准座(9)和所述参考座(10)上、 用于反映所述基准座⑶)和所述参考座(10)的温度变化；测温电桥(12)，所述测温电桥(12)分别与所述基准座(9)和所述参考座(10)的热敏电阻(11)相连、用于检测基准座(9)的温升并将温升转换成电信号。
9.如权利要求8所述的量热计，其特征在于，所述内层桶(5)与外层桶(6)之间的间隙填充有隔热保温材料。
10.如权利要求8或9所述的量热计，其特征在于，所述第一传输线(7)和第二传输线 (8)分别为两段，在内层桶( 与外层桶(6)的间隙中贴近内通孔的位置处通过隔热段连接。
全文摘要
本发明提出了一种毫米波功率传感器及具有该毫米波功率传感器的量热计。该毫米波功率传感器包括波导负载、毫米波功率吸收体、加热元件、测温元件。该量热计包括内层桶、外层桶、第一传输线、第二传输线、基准座、参考座、热敏电阻、测温电桥。本发明的毫米波功率传感器采用吸收效率高的毫米波功率吸收体，并在高匹配毫米波负载内加入直流加热部件，测温元件，使其能够对毫米波功率及直流功率所产生的温度变化进行测量，其阻抗匹配性好，驻波小，测量准确度高。另外，本发明的毫米波功率传感器和量热计是自主设计，打破了国际技术垄断问题。使我国具备了测量WR28(26.5-40GHz)功率的能力，能够支撑科学研究、工业生产、国际贸易等社会活动。
文档编号G01K7/22GK102507036SQ201110375260
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者崔孝海, 张越, 李勇, 陶毅 申请人:中国计量科学研究院