微波功率量熱計負載及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

量熱計是目前最準確的功率測量方法，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)了控溫精度達到5%攝氏度的技術(shù)指標，具有一定的實際意義。

2 量熱計的組成及原理：

作為功率標準的量熱計通常采用雙負載結(jié)構(gòu)。如圖5所示，在雙負載量熱計中，將兩個熱學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 負載的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及熱力學仿真

3.1 負載的理論分析

低功率波導(dǎo)式匹配負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，其熱傳遞特性遠遠小于金屬材料，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，所以量熱計負載的設(shè)計對負載吸收體的形狀、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，整個負載的溫升與直流加熱下的負載溫升有一定量的關(guān)系，并要求波導(dǎo)負載的微波—直流功率替代效率盡可能的高，所以在設(shè)計中，不僅要考慮負載的微波特性，更要考慮負載的熱學特性。

根據(jù)量熱計的基本工作原理，我們可知，在微波負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。