微波功率量熱計(jì)負(fù)載及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 引言

量熱計(jì)是目前最準(zhǔn)確的功率測(cè)量方法，在量熱計(jì)的設(shè)計(jì)中，整體結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定度是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)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(jì)整體的體積增大，熱容增高。為了保證波導(dǎo)傳輸線(xiàn)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(xiàn)和保證熱量不向外擴(kuò)散的隔熱傳輸線(xiàn)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(jì)量熱體以及整體熱力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真的基礎(chǔ)上，采用模糊PID控溫技術(shù)，實(shí)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(shí)際意義。

2 量熱計(jì)的組成及原理：

作為功率標(biāo)準(zhǔn)的量熱計(jì)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(jì)中，將兩個(gè)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(lái)加被測(cè)得高頻功率或直流替代功率，另一個(gè)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(shí)，量熱體A和B之間將產(chǎn)生一個(gè)恒定的溫差。裝在量熱體A和B之間的熱電堆將檢測(cè)出溫差電動(dòng)勢(shì)。假定高頻功率和直流功率在同一個(gè)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(cè)量高頻功率。

圖1 量熱計(jì)模型

3 負(fù)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)負(fù)載的設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)的工作原理可知，波導(dǎo)負(fù)載在量熱計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(guò)程是：

1)吸收功率過(guò)程中，熱傳遞過(guò)程為：

圖2 吸收微波功率熱傳遞過(guò)程

2)加熱電阻工作過(guò)程中，熱傳遞過(guò)程為：

圖3 吸收直流功率熱傳遞過(guò)程

根據(jù)以上熱傳遞過(guò)程分析，在整個(gè)過(guò)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(duì)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。 3.2 片式吸收體負(fù)載設(shè)計(jì)及熱力學(xué)仿真

此種結(jié)構(gòu)為波導(dǎo)外壁尖劈狀，內(nèi)部單面貼覆碳化硅吸收片，該結(jié)構(gòu)熱學(xué)性能高于第一種，因?yàn)槲阵w材料用料較第一種形式少，整體厚度小，其吸收的微波能量在很短時(shí)間內(nèi)就將傳輸?shù)讲▽?dǎo)外壁，其平衡時(shí)間縮短，并且直流加熱源與吸收材料貼敷波導(dǎo)寬壁同側(cè)，其直流源與微波源加熱效率非常高，在查閱的技術(shù)文獻(xiàn)資料中提到可達(dá)到90%以上，但是此種結(jié)構(gòu)負(fù)載對(duì)加工精度要求很高，對(duì)吸收體材料也有很高的硬度以及強(qiáng)度要求。

下面為針對(duì)這種思路的負(fù)載結(jié)構(gòu)和電磁場(chǎng)和熱學(xué)仿真結(jié)果：

(1)電磁場(chǎng)仿真分析

負(fù)載結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 8mm波導(dǎo)負(fù)載設(shè)計(jì)圖

仿真駐波結(jié)果如圖5所示：

圖5 8mm負(fù)載駐波仿真圖

(2)波導(dǎo)負(fù)載熱學(xué)仿真如下：

仿真環(huán)境為吸收體圓錐均勻分布10mW功率，穩(wěn)定狀態(tài)下整個(gè)8mm波導(dǎo)負(fù)載的溫度分布情況，可以看出：其溫度最高位置比不加入功率相應(yīng)位置溫度升高0.14攝氏度左右.

環(huán)境溫度35攝氏度，負(fù)載不加入任何功率情況下表面的溫度分布如圖6：

圖6 恒溫條件下負(fù)載溫度分布

環(huán)境溫度35攝氏度，負(fù)載表面均勻分布10mW功率，負(fù)載表面溫度分布如圖7：

圖7 加熱條件下負(fù)載溫度分布 3.3 片式吸收體負(fù)載測(cè)試結(jié)果

圖8、9為負(fù)載加工圖以及駐波測(cè)試圖，其駐波均在1.12以下，高頻部分駐波優(yōu)于低頻部分，其微波特性滿(mǎn)足使用要求。加熱功率在10mW情況下溫升在0.1K左右，其直流與微波替代效率可達(dá)到80%以上，負(fù)載設(shè)計(jì)滿(mǎn)足量熱計(jì)整體需求。

圖8 8mm負(fù)載實(shí)際加工圖

圖9 8mm負(fù)載實(shí)測(cè)駐波結(jié)果圖

4 量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及熱力學(xué)仿真

4.1 量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于量熱計(jì)法測(cè)量微波功率是建立在直流功率通過(guò)在負(fù)載上的熱效應(yīng)來(lái)替代微波功率，所以這種測(cè)量方法就對(duì)量熱計(jì)整體結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性提出了非常高的要求。在量熱計(jì)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)中，我們采用了雙負(fù)載量熱計(jì)結(jié)構(gòu)。在控溫精度要求方面整體結(jié)構(gòu)采用了三層桶的結(jié)構(gòu)，外層為薄壁鋁制圓筒，中間為大質(zhì)量大熱容銅制控溫筒，內(nèi)層為銅制內(nèi)桶，銅制控溫桶表面貼敷加熱電阻膜，并通過(guò)貼敷在該桶表面的測(cè)溫電阻溫度的變化量由控溫設(shè)備控制加熱功率的大小以實(shí)現(xiàn)其表面溫度穩(wěn)定度達(dá)到0.05攝氏度以?xún)?nèi)。薄壁外層鋁桶與外層銅制控溫桶之間的變化量由控溫設(shè)備控制加熱功率的大小， 填充泡沫塑料，用以減小整體與外界的熱交換。

功率輸入端口采用不銹鋼制薄壁波導(dǎo)，該設(shè)計(jì)得主要目的是減少整段波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的熱量損耗。內(nèi)外銅桶之間采用塑料質(zhì)地的隔熱波導(dǎo)段，其波導(dǎo)連接表面與波導(dǎo)腔內(nèi)壁鍍金，采用原因是因?yàn)闊崛輦鬏斁€(xiàn)質(zhì)量較大，而不銹鋼薄壁波導(dǎo)其承載荷較低，容易發(fā)生損壞。在負(fù)載與內(nèi)桶蓋熱容傳輸線(xiàn)與外桶蓋熱容傳輸線(xiàn)間采用不銹鋼薄壁波導(dǎo)隔熱傳輸線(xiàn)，保證內(nèi)桶的熱量交換不受環(huán)境的影響和準(zhǔn)確測(cè)溫的要求。

微波傳輸通道結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 微波信號(hào)傳輸通道示意圖 4.2 量熱計(jì)結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)分析。

量熱計(jì)內(nèi)外銅桶的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖11所示：

圖11 控溫桶熱學(xué)仿真圖

該熱力學(xué)仿真所處的仿真環(huán)境為：銅制外桶表面溫度35攝氏度衡定，由熱力學(xué)分布圖可知其內(nèi)桶內(nèi)部溫度比較穩(wěn)定，在熱容傳輸線(xiàn)與非金屬隔熱波導(dǎo)段之間略有溫度損耗，但對(duì)整體的溫度穩(wěn)定性影響并不是很大，所以從仿真結(jié)構(gòu)來(lái)看量熱計(jì)熱力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本符合要求。

4.3 量熱計(jì)的控溫技術(shù)研究。

在設(shè)計(jì)中，考慮到自身的控溫要求與環(huán)境以及成本，我們確定了采用外層填充泡沫塑料，多層桶結(jié)構(gòu)，外表面控溫的基本方案。并在控溫技術(shù)中采用了模糊PID控制技術(shù)。

(1)模糊PID控溫技術(shù)簡(jiǎn)介

在量熱計(jì)控溫系統(tǒng)中，我們采用了模糊PID控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示：

圖12 控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PID溫度控制器的控制規(guī)律為：

由于系統(tǒng)中模糊控制器是實(shí)施運(yùn)行的，所以要求解模糊器的計(jì)算要相對(duì)簡(jiǎn)單，不在此處進(jìn)行討論。

(2)實(shí)際控溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控溫?cái)?shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)定為10個(gè)小時(shí)，從初始加熱開(kāi)始采集，目標(biāo)控溫溫度為22.000攝氏度，圖13、14為控溫?cái)?shù)據(jù)圖，由圖可以看出，升溫開(kāi)始到溫度基本穩(wěn)定需要5-6個(gè)小時(shí)，而溫度變化量小于千分之五攝氏度則需要8小時(shí)左右，由圖13、14數(shù)據(jù)，控溫指標(biāo)基本達(dá)標(biāo)，滿(mǎn)足系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的要求。

圖13 控溫?cái)?shù)據(jù)圖(整個(gè)控溫過(guò)程10小時(shí))

圖14 控溫?cái)?shù)據(jù)圖(溫度基本穩(wěn)定)

5 結(jié)論

由以上分析，文中所設(shè)計(jì)的量熱計(jì)用負(fù)載以及整體恒溫結(jié)構(gòu)基本滿(mǎn)足項(xiàng)目要求，但是量熱計(jì)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而反復(fù)的過(guò)程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算及軟件仿真所得到的結(jié)論經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)用以得到更加精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以滿(mǎn)足量熱計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確要求。