微波功率量熱計負(fù)載及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

量熱計是目前最準(zhǔn)確的功率測量方法，在量熱計的設(shè)計中，整體結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定度是實現(xiàn)準(zhǔn)確測試的充要條件，但在40GHz以下的頻率范圍之內(nèi)，由于波導(dǎo)的體積較大，造成量熱計整體的體積增大，熱容增高。為了保證波導(dǎo)傳輸線的傳輸以及隔熱效果，采用了與桶蓋連接熱分布均勻的熱容傳輸線和保證熱量不向外擴(kuò)散的隔熱傳輸線的多波導(dǎo)連接方式，提高了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，為溫度控制的準(zhǔn)確性造成了一定的難度。本文在解決量熱計量熱體以及整體熱力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真的基礎(chǔ)上，采用模糊PID控溫技術(shù)，實現(xiàn)了控溫精度達(dá)到5%攝氏度的技術(shù)指標(biāo)，具有一定的實際意義。

2 量熱計的組成及原理：

作為功率標(biāo)準(zhǔn)的量熱計通常采用雙負(fù)載結(jié)構(gòu)。如圖5所示，在雙負(fù)載量熱計中，將兩個熱學(xué)條件完全相同的量熱體A和B置于隔熱容器中。其中，量熱體A用來加被測得高頻功率或直流替代功率，另一個量熱體B不加任何功率，僅僅作為量熱體A的溫度參考。當(dāng)量熱體A加上恒定的功率時，量熱體A和B之間將產(chǎn)生一個恒定的溫差。裝在量熱體A和B之間的熱電堆將檢測出溫差電動勢。假定高頻功率和直流功率在同一個量熱體上有相同的熱效應(yīng)，則可以用高頻-直流替代的方法測量高頻功率。

圖1 量熱計模型

3 負(fù)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及熱力學(xué)仿真

3.1 負(fù)載的理論分析

低功率波導(dǎo)式匹配負(fù)載由一段終端短路的波導(dǎo)和安裝在波導(dǎo)中的吸收體組成的。為了獲得較大的衰減，要求吸收材料具有低的電導(dǎo)率和高的磁導(dǎo)率，在熱學(xué)特性方面，由于吸收體材料多由絕緣材料組成，其熱傳遞特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材料，吸收體的體積，表面積，材料加工的粗糙程度都會影響到微波能量的吸收以及吸收體與波導(dǎo)壁之間的熱傳遞，所以量熱計負(fù)載的設(shè)計對負(fù)載吸收體的形狀、材料、表面粗糙度、加工精度，都有很高的要求。

由上一節(jié)量熱計的工作原理可知，波導(dǎo)負(fù)載在量熱計中主要起到了量熱體的作用，即要求其在吸收大部分微波功率的情況下，整個負(fù)載的溫升與直流加熱下的負(fù)載溫升有一定量的關(guān)系，并要求波導(dǎo)負(fù)載的微波—直流功率替代效率盡可能的高，所以在設(shè)計中，不僅要考慮負(fù)載的微波特性，更要考慮負(fù)載的熱學(xué)特性。

根據(jù)量熱計的基本工作原理，我們可知，在微波負(fù)載上存在的熱傳遞過程是：

1）吸收功率過程中，熱傳遞過程為：

圖2 吸收微波功率熱傳遞過程

2）加熱電阻工作過程中，熱傳遞過程為：

圖3 吸收直流功率熱傳遞過程

根據(jù)以上熱傳遞過程分析，在整個過程中，主要存在的熱交換為傳導(dǎo)換熱和輻射換熱，在重力引起的空氣對流情況下，總熱流通量等于傳導(dǎo)熱流通量和輻射熱流通量之和。