微波功率量熱計負載及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

 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(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(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(xué)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(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(xué)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。 3.2 片式吸收體負載設(shè)計及熱力學(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，因為吸收體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間內(nèi)就將傳輸?shù)讲▽?dǎo)外壁，其平衡時間縮短，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)文獻資料中提到可達到90%以上，但是此種結(jié)構(gòu)負載對加工精度要求很高，對吸收體材料也有很高的硬度以及強度要求。

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

(1)電磁場仿真分析

負載結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 8mm波導(dǎo)負載設(shè)計圖

仿真駐波結(jié)果如圖5所示：

圖5 8mm負載駐波仿真圖

(2)波導(dǎo)負載熱學(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8mm波導(dǎo)負載的溫度分布情況，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 恒溫條件下負載溫度分布

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

圖7 加熱條件下負載溫度分布 3.3 片式吸收體負載測試結(jié)果

圖8、9為負載加工圖以及駐波測試圖，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到80%以上，負載設(shè)計滿足量熱計整體需求。

圖8 8mm負載實際加工圖

圖9 8mm負載實測駐波結(jié)果圖

4 量熱計的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及熱力學(xué)仿真

4.1 量熱計的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于量熱計法測量微波功率是建立在直流功率通過在負載上的熱效應(yīng)來替代微波功率，所以這種測量方法就對量熱計整體結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性提出了非常高的要求。在量熱計結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計中，我們采用了雙負載量熱計結(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，并通過貼敷在該桶表面的測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現(xiàn)其表面溫度穩(wěn)定度達到0.05攝氏度以內(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)計得主要目的是減少整段波導(dǎo)傳輸線的熱量損耗。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，采用原因是因為熱容傳輸線質(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。在負載與內(nèi)桶蓋熱容傳輸線與外桶蓋熱容傳輸線間采用不銹鋼薄壁波導(dǎo)隔熱傳輸線，保證內(nèi)桶的熱量交換不受環(huán)境的影響和準確測溫的要求。

微波傳輸通道結(jié)構(gòu)如圖10所示。

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

量熱計內(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，在熱容傳輸線與非金屬隔熱波導(dǎo)段之間略有溫度損耗，但對整體的溫度穩(wěn)定性影響并不是很大，所以從仿真結(jié)構(gòu)來看量熱計熱力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本符合要求。

4.3 量熱計的控溫技術(shù)研究。

在設(shè)計中，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)簡介

在量熱計控溫系統(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)中模糊控制器是實施運行的，所以要求解模糊器的計算要相對簡單，不在此處進行討論。

(2)實際控溫實驗結(jié)果

控溫數(shù)據(jù)采集時間設(shè)定為10個小時，從初始加熱開始采集，目標控溫溫度為22.000攝氏度，圖13、14為控溫數(shù)據(jù)圖，由圖可以看出，升溫開始到溫度基本穩(wěn)定需要5-6個小時，而溫度變化量小于千分之五攝氏度則需要8小時左右，由圖13、14數(shù)據(jù)，控溫指標基本達標，滿足系統(tǒng)進行進一步定標實驗的要求。

圖13 控溫數(shù)據(jù)圖(整個控溫過程10小時)

圖14 控溫數(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)計的量熱計用負載以及整體恒溫結(jié)構(gòu)基本滿足項目要求，但是量熱計的設(shè)計是一個復(fù)雜而反復(fù)的過程，通過數(shù)值計算及軟件仿真所得到的結(jié)論經(jīng)實驗驗證之后，需要進一步的優(yōu)化設(shè)計用以得到更加精確的試驗數(shù)據(jù)以滿足量熱計對實驗結(jié)果的準確要求。