一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器

摘要

本发明公开了一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器，该传感器包括有楔形吸波体(1)、铂热敏电阻(2)、隔板(3、4)、端盖(5)、壳体(6、7)和波导法兰(8)，铂热敏电阻(2)制作在隔板(3、4)上形成中间体，楔形吸波体(1)的间隙用于放置中间体，楔形吸波体(1)安装在波导法兰(8)上，且外部是端盖(5)和壳体(6、7)。本发明的热电转换传感器，将太赫兹功率量值采用直流信号表示出来。利用“匹配负载”量热替代传统的热电转换，当太赫兹110GHz～170GHz功率通过波导法兰(8)传输到匹配负载上，宽带匹配性好，吸波性能好，其驻波比小。

说明书

技术领域

本发明涉及微波功率基准测量技术领域，更特别地说，是指一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器。

背景技术

申请号201110372129.1，申请日2011年11月21日，发明名称“微量热计、使用该微量热计的功率基座系统及测量方法”。该文献的说明书及附图中公开了微量热计的结构，至少包括有热电堆、工作功率座和参考功率座。

近二十多年来，太赫兹(即100GHz到10THz)科学技术全球蓬勃发展，取得了重要的研究成果，应用扩展到波谱、成像、通信、雷达、天文、气象、国防、航空航天等领域。同时，国内外太赫兹测试器件、仪器、仪表设备大量涌现，例如信号发生器、功率计、信号分析仪、网络分析仪、噪声系数测试仪和频率计等，为太赫兹技术的发展和应用提供了强有力的支撑。太赫兹测量设备性能指标的准确可靠性直接影响着太赫兹技术的研究水平，产品质量。作为统一全国量值最高依据的计量器具，太赫兹计量基准为太赫兹测量设备提供准确可靠的评价，标定和校准工作。功率参数是无线电计量体系中的最基本、最重要的关键参数量之一。

国内外110GHz以下微波频段大多利用商用热敏电阻座功率传感器，采用微量热计的方式，将微波能量定量转换成热，并利用直流替代技术确定与直流量值的溯源关系，从而建立功率基准。在高于110GHz频段，由于材料、制造工艺等限制，目前热电转换式功率传感器技术在国际上还是空白，从而限制了功率基准的建立。

发明内容

本发明设计了一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器，将太赫兹功率量值采用直流信号表示出来。当太赫兹110GHz～170GHz功率通过波导传输到匹配负载上，匹配负载吸收太赫兹功率后，会产生热量，通过波导内 部热传导，导致本发明设计的传感器温度上升，进而使传感器内部的铂热敏电阻阻值变化，将太赫兹功率产生的热量用直流电信号的变化表示出来。本发明利用“匹配负载”量热替代传统的热电转换，宽带匹配性好，吸波性能好，其驻波比小。

本发明设计了一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器，该热电转换传感器包括有楔形吸波体(1)、铂热敏电阻(2)、A隔板(3)、B隔板(4)、端盖(5)、A壳体(6)、B壳体(7)和波导法兰(8)；

其中，A隔板(3)与B隔板(4)的结构相同；

其中，A壳体(6)与B壳体(7)的结构相同；

其中，楔形吸波体(1)、端盖(5)、A壳体(6)、B壳体(7)和波导法兰(8)构成匹配负载；

其中，铂热敏电阻(2)、A隔板(3)与B隔板(4)构成中间体；中间体安装在楔形吸波体(1)的间隙中，楔形吸波体(1)安装在波导法兰(8)上，且端盖(5)、A壳体(6)和B壳体(7)安装在楔形吸波体(1)的外部；

楔形吸波体(1)为一体成型结构件；楔形吸波体(1)上设有间隙(1E)，该间隙(1E)用于放置中间体；楔形吸波体(1)的上面板(1A)上设有过线孔(1A1)，该过线孔(1A1)用于与铂热敏电阻(2)的正负极连接的电线通过；楔形吸波体(1)的长面板(1D)与短面板(1B)和斜面板(1C)相对设置；

楔形吸波体(1)的楔形夹角记为β，β＝5°～30°；楔形吸波体(1)上的间隙(1E)与长面板(1D)的夹角记为γ，γ＝5°～15°；为了满足D波段标准矩形波导内部尺寸的要求，具体尺寸有：a₁＝1.70，b₁＝0.83，h₁＝0.5L～0.8L，m＝1b₁～3b₁，w＝0.1b₁～0.3b₁；

铂热敏电阻(2)为采用覆铂刻蚀技术制作在介质板上，所述介质板可以是A隔板(3)或者B隔板(4)；若制作在A隔板(3)上，则用B隔板(4)压盖；若制作在B隔板(4)上，则用A隔板(3)压盖；

铂热敏电阻(2)的构形可以是一个平板结构、也可以是间隔相同的垛口结构、也可以是间隔不同的垛口结构；

为了保证铂热敏电阻(2)能够工作在200Ω的条件下，覆铂刻蚀总长度记为L，铂(Pt)材质的电阻率为ρ＝2.22×10^-7，铂热敏电阻(2)的电阻阻值为R＝200， 当电阻阻值满足时，则有

端盖(5)上设有A过线孔(5A)；该A过线孔(5A)用于与铂热敏电阻(2)的正负极连接的电线通过；；

端盖(5)安装在A壳体(6)与B壳体(7)的上方，A壳体(6)与B壳体(7)的下方安装在波导法兰(8)上；

A壳体(6)的截面为U形构型；A壳体(6)上设有A横板(6A)、A支撑板(6B)和B支撑板(6C)，A支撑板(6B)与B支撑板(6C)平行放置，且A横板(6A)置于A支撑板(6B)与B支撑板(6C)之间；A支撑板(6B)与B支撑板(6C)上均设有螺纹孔，该螺纹孔用于放置螺钉(9)；

B壳体(7)的截面为U形构型；B壳体(7)上设有B横板(7A)、C支撑板(7B)和D支撑板(7C)，C支撑板(7B)与D支撑板(7C)平行放置，且B横板(7A)置于C支撑板(7B)与D支撑板(7C)之间；C支撑板(7B)与D支撑板(7C)上均设有螺纹孔，该螺纹孔用于放置螺钉(9)；

波导法兰(8)上设有外圆盘(8A)和内圆盘(8B)，内圆盘(8B)上设有矩形通孔(8B1)；该矩形通孔(8B1)用于安装楔形吸波体(1)的楔形尾部；外圆盘(8A)上设有通孔(8A1)，通过在通孔(8A1)中放置螺钉实现将波导法兰(8)与外部的安装台进行固定。

本发明设计的一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器的优点在于：

①本发明热电转换传感器的宽带匹配性良好，由于采用了匹配负载的结构形式，使得整个传感器的吸波性能好，其驻波比小。

②本发明热电转换传感器的直流替代效率高，由于热电转换传感器内部的楔形吸波体进行太赫兹波吸收，而其内部的铂热敏电阻进行直流替代，并且两者距离很近，可以近似位置一致，故直流替代效率高。

③本发明热电转换传感器的结构易于加工，便于装配。

附图说明

图1是本发明热电转换传感器的正视面结构图。

图1A是本发明热电转换传感器的外部结构图。

图1B是本发明热电转换传感器的分解图。

图2是本发明热电转换传感器中热电转换组件的结构图。

图2A是本发明热电转换传感器中热电转换组件的另一视角结构图。

图2B是本发明热电转换传感器中A隔板与铂热敏电阻的结构图。

图3是本发明热电转换传感器中楔形吸波体的结构图。

图3A是本发明热电转换传感器中楔形吸波体的正视面结构图。

图4是本发明热电转换传感器中铂热敏电阻的结构图。

图5是本发明热电转换传感器的频率与驻波比的关系图。

图6是本发明热电转换传感器的替代效率图。

1.楔形吸波体1A.上面板1A1.过线孔1B.短面板1C.斜面板1D.长面板1E.间隙2.铂热敏电阻3.A隔板4.B隔板5.端盖5A.A过线孔6.A壳体6A.A横板6B.A支撑板6C.B支撑板7.B壳体7A.B横板7B.C支撑板7C.D支撑板8.波导法兰8A.外圆盘8A1.通孔8B.内圆盘8B1.矩形通孔

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明设计了一种应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器，该热电转换传感器包括有楔形吸波体1、铂热敏电阻2、A隔板3、B隔板4、端盖5、A壳体6、B壳体7和波导法兰8，A隔板3与B隔板4的结构相同，A壳体6与B壳体7的结构相同。其中，楔形吸波体1、端盖5、A壳体6、B壳体7和波导法兰8构成匹配负载。铂热敏电阻2、A隔板3与B隔板4构成中间体。中间体安装在楔形吸波体1的间隙中，楔形吸波体1安装在波导法兰8上，且端盖5、A壳体6和B壳体7安装在楔形吸波体1的外部。

楔形吸波体1

参见图1B、图2、图2A、图3、图3A所示，楔形吸波体1为一体成型结构件。楔形吸波体1上设有间隙1E，该间隙1E用于放置中间体。楔形吸波体1的上面板1A上设有过线孔1A1，该过线孔1A1用于与铂热敏电阻2的正负极连接的电线通过。楔形吸波体1的长面板1D与短面板1B和斜面板1C相对设置。楔形吸波体1选用羰基铁材料加工。

在本发明中，楔形吸波体1的结构尺寸为：

楔形吸波体1的长记为a₁，单位为，毫米；

楔形吸波体1的宽记为b₁(即长面板1D的宽)，单位为，毫米；

楔形吸波体1的高记为h₁(即长面板1D的长)，单位为，毫米；

楔形吸波体1的底端与间隙1E的底端的间距记为m，单位为，毫米；

楔形吸波体1上的长面板1D与间隙1E的底端的间距记为w，单位为，毫米；

楔形吸波体1的楔形夹角记为β，β＝5°～30°；

楔形吸波体1上的间隙1E与长面板1D的夹角记为γ，γ＝5°～15°。

在本发明中，为了满足D波段标准矩形波导内部尺寸的要求，具体尺寸有：a₁＝1.70，b₁＝0.83，h₁＝0.5L～0.8L，m＝1b₁～3b₁，w＝0.1b₁～0.3b₁。对于标准矩形波导的要求参考了《微波工程》(第三版)第589页，张肇仪，周乐柱，吴德明译，2014年1月第8次印刷。

铂热敏电阻2

参见图1B、图2B、图4所示，铂热敏电阻2为采用覆铂刻蚀技术制作在介质板上，所述介质板可以是A隔板3或者B隔板4。若制作在A隔板3上，则用B隔板4压盖。若制作在B隔板4上，则用A隔板3压盖。A隔板3与B隔板4为二氧化硅材料加工。

铂热敏电阻2的构形可以是一个平板结构、也可以是间隔相同的垛口结构、也可以是间隔不同的垛口结构。

在本发明中，铂热敏电阻2的结构尺寸为：

铂热敏电阻2的覆铂宽记为a，单位为，毫米；

铂热敏电阻2的覆铂厚度记为b，单位为，毫米；a与b的乘积为铂热敏电阻2的截面积，记为S，单位为，平方毫米；

铂热敏电阻2的覆铂纵向长记为c，单位为，毫米；

铂热敏电阻2的覆铂横向长记为d，单位为，毫米；

铂热敏电阻2的凹凸构形间隔记为e，单位为，毫米。

为了保证铂热敏电阻2能够工作在200Ω的条件下，覆铂刻蚀总长度记为L，单位为，毫米。

铂(Pt)材质的电阻率为ρ＝2.22×10^-7，单位为Ω·m。

铂热敏电阻2的电阻阻值为R＝200，单位为Ω。

依据电阻阻值计算公式则有

$L=\frac{R\times ab}{\rho }=\frac{200\times 1\times {10}^{-5}\times 8\times {10}^{-6}}{2.22\times {10}^{-7}}\times {10}^3=72.$

端盖5

参见图1B所示，端盖5上设有A过线孔5A。该A过线孔5A用于与铂热敏电阻2的正负极连接的电线通过。端盖5为镍基合金材料加工。

端盖5安装在A壳体6与B壳体7的上方，A壳体6与B壳体7的下方安装在波导法兰8上。

A壳体6

参见图1B所示，A壳体6的截面为U形构型。A壳体6上设有A横板6A、A支撑板6B和B支撑板6C，A支撑板6B与B支撑板6C平行放置，且A横板6A置于A支撑板6B与B支撑板6C之间。A支撑板6B与B支撑板6C上均设有螺纹孔，该螺纹孔用于放置螺钉9。

B壳体7

参见图1B所示，B壳体7的截面为U形构型。B壳体7上设有B横板7A、C支撑板7B和D支撑板7C，C支撑板7B与D支撑板7C平行放置，且B横板7A置于C支撑板7B与D支撑板7C之间。C支撑板7B与D支撑板7C上均设有螺纹孔，该螺纹孔用于放置螺钉9。A壳体6与B壳体7为镍基合金材料加工。

波导法兰8

参见图1、图1B所示，波导法兰8上设有外圆盘8A和内圆盘8B，内圆盘8B上设有矩形通孔8B1。该矩形通孔8B1用于安装楔形吸波体1的楔形尾部。外圆盘8A上设有通孔8A1，通过在通孔8A1中放置螺钉实现将波导法兰8与外部的安装 台进行固定。波导法兰8为镍基合金材料加工。

采用本发明的热电转换传感器测量的模式：

(A)在室温T_室温下，将太赫兹功率P_THz等于110GHz～170GHz频率的被测对象(工作功率座)加载在热电转换传感器上；使得本发明设计的热电转换传感器内部的楔形吸波体1的温度升高，进而使得铂热敏电阻2的温度升高，将此条件下铂热敏电阻2到达的最高温度记为T_THz；

(B)在室温T_室温下，将偏置直流功率P_DC的被测对象(参考功率座)加载在热电转换传感器上；使得本发明设计的热电转换传感器内部的楔形吸波体1的温度升高，进而使得铂热敏电阻2的温度升高，将此条件下铂热敏电阻2到达的最高温度记为T_DC；

(C)比较T_THz与T_DC；若相同，则P_THz输出等于P_DC；若不相同，则调节P_DC，使得T_THz等于T_DC。

参见图5所示的热电转换传感器的驻波比，描述的是本发明设计的热电转换传感器对于太赫兹功率的吸收效果。图中横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为驻波比(常量纲，无单位)，驻波比小于1.2，说明施加到波导法兰8上的太赫兹功率绝大多数都被传感器所吸收，宽带匹配性良好。

替换效率关系：

依据替代效率η计算公式其中P_DC为施加的直流功率，P_THz为被热电转换传感器吸收的太赫兹功率，T为当太赫兹功率吸收后，铂热敏电阻感应到的温度。当热电转换传感器吸收110GHz～170GHz功率后，铂热敏电阻2温度达到稳定温度值T时，则需要一定的直流功率达到相同的温度值T，替代效率见图6所示。图中，横坐标为直流功率(单位dBm)，纵坐标为替代效率(常量纲，无单位)，替代效率近似于1，说明110GHz～170GHz功率可以用直流功率溯源，且替代效果好。

在本发明中，是将太赫兹功率溯源到直流或低频功率上。本发明设计的应用于110GHz～170GHz频率微量热计的热电转换传感器选择具有一定形状的羰基铁作为负载中太赫兹功率吸波材料。传感器具体工作原理是，首先施加直流偏置电压，不加太赫兹功率，热敏电阻会检测到温度变化，采用自平衡电桥的方式，使系统达到平衡，这时测得直流电压V_{RF_OFF}，然后施加太赫兹功率，热敏电阻温度上升，负反馈 电路调节直流偏置电压，再次利用自平衡电桥的方式，使得系统达到平衡，测得直流电压V_{RF_ON}。这时得到的直流替代效率为两个直流功率之差。由于太赫兹功率不可能完全被负载吸收掉，同时直流功率和太赫兹功率在负载中的耗散分布不同，从而引起各自产生的热分布也不尽相同，所以用替代效率将太赫兹功率和直流功率之间建立联系。