一种基于量热法原理的微波中功率校准装置设计

郝志坤 温世仁 吴春婵 张正龙 杨 静

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

功率是微波领域的基本参数之一，它表征了微波信源的传输特性。随着电子通信、雷达探测和遥测遥感等技术的发展,微波功率的被测范围已拓展至上百瓦，乃至上千瓦，这也使微波中大功率的测量十分必要。通常将(1～100)W的微波连续波功率称为微波中功率，将大于100W的微波功率称为大功率[1]。

常用的微波功率测量方法有级联耦合法、量热法、功率探测器法、声电效应测量大功率法和辐射压力测量法等[2～6]。由于量热法既有量热计高准确度的特点，又有热敏电阻式功率计相应时间快，测量方便等特点，所以被广泛采用，如德国PTB的功率基准、美国的NIST的功率基准等均采用量热法[7～9]。因此，为了解决航天遥感遥测中微波中功率参数的测试和溯源需求，设计了一种基于量热法原理的微波中功率校准装置，如图1所示。

图1 微波中功率校准装置Fig.1 Medium power microwave calibration device

2 量热法原理

本文采用量热法原理测量微波中功率信号，原理如下:首先依据量热法原理，把微波功率量值的测量转化为对量热介质热量的测量；然后在通过热量等效原理，把对量热介质热量的测量转化为对直流功率的测量。

装置选取水作为量热介质(吸收体)，并设计了微波功率负载作为电能与热能转换的转换装置。首先将直流功率P1接入微波功率负载，使电能转换为热能。微波功率负载对流经负载的量热介质—冷却循环液体(水)进行加热，冷却水吸热升温。在量热介质(吸收体)温度变化稳定、达到热平衡后，微波功率负载冷却循环液体(水)的入口和出口处测温传感器1#和2#可以测出冷却水经过微波功率负载后的温度变化量ΔT1，根据量热法原理，吸收体吸收热量Q1等于直流功率做功能量W1，按照公式(1)计算出cqVρ值

Q1=W1=P1t=cqVρΔT1t

(1)

式中：Q1——直流功率加热冷却循环液体(水)吸收热量，J；W1——直流功率对冷却循环液体(水)做功，J；P1——直流功率对冷却循环液体(水)做功的功率，W；t——时间，s；c——冷却液体的比热容，J/g·K；qV——流量计测得冷却液的体积流量，cm3/s；ρ——液体的密度，g/cm3；ΔT1——直流功率加热造成测温传感器2#与测温传感器1#在负载出口和入口冷却液所测温度差，K。

然后断开直流功率输入，装置静置一段时间，再把待测试微波信号P2接入微波功率负载，使电能转化为热能，在同样的环境和测试条件下，使冷却循环液体(水)再次达到温度稳定的热平衡状态。同理，按照公式(2)可计算出冷却循环液体(水)所吸收热量的大小，根据热等效原理，Q1等于Q2，得出输入量热计的微波中功率的量值P2

Q2=W2=P2t=cqVρΔT2t

(2)

式中：Q2——微波功率加热冷却循环液体(水)吸收热量，J；P2——待测微波功率，W；W2——微波功率对冷却循环液体(水)做功，J；ΔT2——微波功率加热造成测温传感器2#与测温传感器1#在负载出口和入口冷却液所测温度之差，K。

在此过程中，两次加热过程吸收体及外界环境条件几乎一致，微波和直流信号在微波功率负载中电流分布不同导致的误差很小,研究表明这项误差小于0.01%[10]，因此通过量热法把微波功率溯源到直流功率，以实现微波中功率的测量。

3 装置组成

3.1 总体结构

微波中功率校准装置，由直流功率校准电源、微波中功率源、功率测量模块、温度传感器、水循环系统、温度及流量控制系统、控制处理软件等部分组成，如图2所示。

微波源和校准电源通过同轴线导入功率测量模块内的50Ω阻性负载。水箱内的水通过导管依次通过水泵、流量计、功率测量模块，最后回流水箱。其中水泵提供压力使水能够通入流量计，流量计的控制阀使水流以固定的速率流动。PC端通过USB端口连接两温度传感器和流量计，以1Hz的频率读取温度数据。然后在PC界面进行数据处理后以1Hz的频率更新功率值。

3.2 功率测量模块

功率测量模块由水负载、液体通道、微波通道和绝热外壳等部分组成，其中水负载是能量转换核心器件。微波通过同轴波通道导通入水负载内的50Ω阻性负载(校准电源同样通过同轴线将直流电流导入负载)，水流通过负载的液体通道流入流出，流量计的控制阀使水流以固定的速率流动。当有微波输入负载时，液体入口和出口处便会形成温度差，输入功率恒定时一段时间过后这个温度差也会稳定下来，并可由此计算出输入功率大小。

图2 系统结构图Fig.2 Framework map of system

3.2.1负载结构

水负载结构包括微波负载电路、液体循环与导热通道、液体通道接口、波导接口，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。

3.2.2微波通道

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。传输线为特性阻抗50Ω的微带线，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。具有在宽频带(0～3.5)GHz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，用于连接微波负载电路与特定规格的同轴波导，保证微波能量的传输过程中尽量低的反射与损耗。

3.2.3液体循环与导热通道

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，其中液体媒介为水。

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。

3.3 水循环与温度流量控制系统

水循环系统采用封闭设计，包括水箱、水泵、流量计与控制器、温度传感器与温度控制器等部分组成，通过多级控温和高精度流量控制器，控制整个系统的温度与流量平衡。起到提供测试稳定性和测试条件作用。

4 测试数据与验证

微波中功率校准装置，由微波中功率量热计、E8257D微波信号发生器、微波功率放大器等组成。本文通过对比微波中功率校准装置测试数据与E4419B功率计、E9034A功率探头和40dB衰减器组合衰减至微波小功率功率计的测量数据比较，来验证装置研制方法的可行性。

为验证微波中功率测量装置的测量功能，本装置选取了几个典型的中功率值及不同频段，进行了试验验证工作。微波功率的测量模型为

Pw=Pa+ΔPw

(3)

式中：Pw——被测试微波功率，W；Pa——测量装置的功率示值，W；ΔPw——微波功率测量误差，W；它主要由零位校准、直流功率校准、量热计微波功率反射、温度误差以及系统热损耗等引入。

测试数据如表1、图3和图4所示，通过比较微波中功率校准装置校准数据Pa与E4419B功率计、E9034A功率探头和40dB衰减器组合测量值的数据Pb比较，可以看出，二者数据相对差值约为2%，可以达到预先设计要求，下一步将针对该微波中功率校准装置的测温误差、液体循环控温精度、微波反射误差、流量控制稳定性和直流功率误差等影响因此进行改进，以提高校准装置的测量精度。

表1 功率测试值Tab.1 Test value of power频率功率(W)装置测试值Pa(W)衰减器组合测量值Pb(W)10MHz109.249.38100MHz109.239.413.5GHz109.379.56800MHz5049.3249.893.5GHz10099.1399.76

图4 装置10W(10MHz)微波功率测试显示界面Fig.4 10W(10MHz) microwave power test interface of the calibration device

5 结束语

针对微波中功率计量溯源问题，设计了一种基于量热法原理的校准装置，并对微波中功率信号进行了测试，通过与耦合衰减的微波小功率信号测试数据进行了比较，经试验验证，测试结果满足设计要求；也为进一步评估微波中功率校准装置的测试精度，提供了依据。对微波中功率参数进一步的研究提供了积累，对保障型号遥感遥测设备的校准、评估其可靠性具有实际意义。下一步将针对温度、反射率和零位误差等因素开展研究，改进装置的稳定性，提高校准装置的测量精度。