专利名称：一种小型便携式微波大功率计的制作方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，特别涉及微波测量仪器。
功率是微波振荡最重要的参数之一，因而微波功率的测量是任何微波测量中必不可少的一种测量，微波功率计也成为微波测量中最重要的仪器之一。本发明涉及的微波大功率计是指平均功率量级从数瓦至数十千瓦的微波功率测量仪器。在这样的功率电平下，都是利用水作为微波的吸收体，以水负载作为测量头，通过对水的流量和吸收微波后的温升的测量就可以算出微波功率的大小。也就是说，这时测量头中的水负载既要担负吸收大平均功率的微波的功能，同时也起着测量该功率大小的作用。在现有实际的微波大功率计中，为了避免水流量的不稳定性的影响，提高测量精度，一方面通过对校准电阻加热功率的测量来替代对水流量的测量，当对校准电阻加热而引起的水的温升与水吸收微波后引起的温升一致时，电阻的加热功率大小就是微波功率大小；另一方面，还采用了循环水系统，使水流不受外设公共供水系统影响。正因为这样，现有的微波大功率计除了测量头外，还都包含有校准电阻及其可调节的加热电源，测量水的温升的热偶堆及其放大、指示系统，以及水泵及其电源、水箱甚至散热器等水循环系统，如
图1所示。从而使得大功率计的体积庞大，结构笨重复杂，使用不方便，成本也相应提高。例如我国苏北电子仪器厂生产的测量5W～2KW微波功率范围的GLCD-2型大功率计，连同散热器共重60KG(不包括水的重量)，体积为635×410×390mm3+427×296×294mm3；该厂生产的测量500W～10KW微波功率范围的GD-9大功率计，总重量达185KG(不包括水的重量)，体积达到620×580×990mm3+800×140×240mm3。由于现有的微波大功率计中水负载吸收微波后的升温有一个热平衡过程，使微波功率的测量值总需要滞后实际值相当一段时间，无法实时测出被测系统中的实际功率。
一些与微波测量相关的书籍，如周请一著《微波测量技术》，董树义著《微波测量》中提到过另一种大平均功率微波的测量方法，即所谓扩展小功率计量程法。这种方法利用定向耦合器从微波主路中耦合一小部分微波功率出来，用小功率计测出该功率的大小，再根据定向耦合器的耦合度换算出主路中的功率，而主路中的绝大部分微波功率则另外用水负载吸收，如图2所示。在这种方法中，水负载不再担负功率测量的功能，而只起吸收微波的作用，因而这时校准电阻及其加热功率的测量、热偶堆及其温升的测量以及整套水循环系统都可以不再需要，但是由于水负载与定向耦合器是各自独立的两个元件，而且还需要使用小功率计和为保护小功率计的测量头不被过大的功率损坏而设置的衰减器，使这种测量系统的体积、重量和成本仍然相当大，使用起来也很不方便，因而该法目前只在实验室中有少量使用，难以组合成独立完整的大功率微波测量仪器，因此它只是一种测量方法，而不是测量仪器。事实上至今也确实没有见到有这种类型的微波大功率计。
不论是在现有微波大功率计的测量头中，还是在扩展小功率计测量法中，都使用的是传统的水负载。这种负载总长度较长，例如GLCD-2功率计的水负载的长度达400多毫米，而GD-9功率计的水负载则长度达到800毫米，因此，现有微波大功率计的体积庞大、笨重，成本高。
本发明的目的是提供一种能实时测出被测系统中的微波实际功率、体积小、重量轻的小型便携式微波大功率计。
本发明的目的是这样实现的利用一种小型大功率微波取样式测量头、高稳定检波器、单片机自动功率换算及指示，它们之间均为电连接，从而实现对大平均功率微波的功率测量。小型大功率微波取样式测量头由小型化水负载和耦合机构组成，其中水负载由按一定规律排列的一系列垂直于波导壁的直插式水管组成，使其总长度比传统水负载大大缩短，它将吸收绝大部分被测微波功率，转换成热量被水带走；取样耦合机构是远比定向耦合器小得多的同轴输出的探针、耦合环或小孔并与水负载直接结合在同一元件上，它从被测微波系统中耦合很小一部分微波功率出来送到检波器进行检波；高稳定检波器将取样耦合机构耦合出来的微波小功率进行检波，检波出低频或直流电流，单片机控制的信号处理电路将根据事先标定的耦合机构的耦合度和检波器的检波特性自动把电流换算成被测系统中的微波功率大小并指示出来。如图3所示。
本发明的原理是利用一种小型微波取样式测量头，把吸收大平均功率微波的水负载与进行功率测量的取样耦合机构结合在同一元件中，从而使现有微波大功率计中水负载吸收微波的功能和微波功率测量的功能分离。由于这时水负载只需承担吸收微波功率的功能，无需通过对水的流量和温升进行任何直接的或替代的测量来得到微波功率的大小，因而校准电阻及其加热电源、热偶堆及其放大指示电路等不再需要；另外，水负载中水流的大小和自身温度、水对微波的吸收性能等因素的稳定与否都与功率测量不再有关，因而水的循环系统同样不再必要，可以方便地直接利用公共供水系统或任何其它形式的供水系统作为水负载的水源；测量头中的水负载将传统的斜插水管式或斜劈水室式或锥型水泡形式改为按一定规律排列的若干直插水管，从而将单一的大容量水吸收体改为若干小容量水管吸收体的组合，使水负载的总长度可以大大缩短，实现小型化，其长度可以控制在200毫米以下；同时，水管中水流的流通十分充分，消除了在现有微波大功率计的测量头水负载中水流的死区，使水的微波功率的吸收效率得到提高，从而进一步可使水负载体积减小；测量头中的取样耦合机构由具有同轴输出的耦合探针或耦合环或耦合小孔构成，它们直接与水负载结合组成同一元件，几乎不占单独的体积，因而单独的定向耦合器与衰减器不再需要；而经由该取样耦合机构按一定比例耦合出来的小功率，此时也不再需要用小功率计进行测量，而是直接利用高稳定度的检波器经检波转换成低频或直流电流，并输入单片机，取样耦合机构的耦合度和检波器的检波特性经标定后将数据事先存入单片机，从而利用单片机控制的信号处理和指示电路将检波电流直接自动换算成被测系统中的微波功率大小并指示出来。如图3所示。
这样，由于取消了校准电阻及其加热电源、热偶堆及其相关电路、水泵、水箱及散热器等水循环系统，实现了水负载与取样耦合机构的一体化及水负载本身的小型化，使定向耦合器、衰减器和小功率计也不再需要，因而本发明所提出的微波大功率计比现有的大功率计的体积、重量大大降低，成本成倍下降。本发明提出的5KW量级微波大功率计重量不超过10KG，体积只有300×200×180mm3，比现有大功率计的一个测量头还轻和小，从而使微波大功率计实现小型化、便携式。另外，以从波导窄边或宽边垂直插入的若干水管作为微波的吸收负载具有很大的灵活性，根据所需吸收微波功率的大小和供水系统情况，水管的数量和排列规律可以在设计水负载时进行调整，水管可以是阶梯型线性排列，也可以按一定的规律曲线排列，水管之间的间距可以是均匀的，也可以是不均匀的，各水管的供水也可以方便地进行串、并联组合。为了改善或调整测量头的匹配性能，可以在测量头的输入端口的附近设置调配机构，如调配螺钉或调配膜片等，如图4、图5所示。由于检波器的检波、单片机的换算、指示都可以在瞬间完成，因而本发明可以实时测量出被测系统中传输的功率的大小，克服了在现有微波大功率计中水负载吸收微波后升温有一个热平衡过程，使通过测量温升来测出的功率值总要滞后实际值相当一段时间，无法实时测出实际功率的缺点。高稳定检波器可以是晶体管检波器，也可以是电子管检波器。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有微波大功率计工作原理图，其中1是校准电阻加热功率指示，2是校准电阻，3是被测微波功率指示，4是热偶堆，5是水箱，6是冷却风扇，7是放水阀门，8是水泵，9是测量头；在图1中，测量头9就是一个水负载。
图2是扩展小功率计量程法测量微波大功率的系统原理图，其中10是微波功率源，11是定向耦合器，12是衰减器，13是微波小功率计，14是水负载；图3是本发明的小型便携式微波大功率计工作原理图，其中15是取样式测量头，16是检波器，17是单片机控制的信号处理电路，18是功率指示；图4是实施例1中的取样式测量头示意图，
其中19是同轴输出接头，20是波导，21是水管，22是耦合探针，23是调配螺钉；图5是实施例2中的取样式测量头示意图，其中19是同轴输出接头，20是波导，21是水管，24是耦合环，25是调配膜片。
实施例1在图4中，四个水管21从微波波导20的窄边插入并成阶梯状线性排列，组成水负载，吸收进入测量头中的绝大多数微波功率；调配螺钉23用来改善或调整测量头的匹配性能；耦合探针22从微波波导20中耦合出一小部分微波功率即取样功率，取样功率经同轴输出接头19送至图3中的高稳定检波器16。在图3中，这一小部分微波取样功率通过高稳定检波器16后成为低频或直流电信号，该电信号通过单片机控制的信号处理电路17处理后在功率数字指示器18中指示出来。实施例2在图5中，六根水管21从微波波导20的宽边插入并成90°范围内的余弦曲线排列，组成水负载，吸收进入测量头中的绝大多数微波功率；调配膜片25用来改善或调整测量头的匹配性能；耦合环24从微波波导20中耦合出一小部分微波功率即取样功率，取样功率经同轴输出接头19送至图3中的高稳定检波器16。在图3中，这一小部分微波取样功率通过高稳定检波器16后成为低频或直流电信号，该电信号通过单片机控制的信号处理电路17处理后在功率数字指示器18中指示出来。
权利要求
1．一种小型便携式微波大功率计，其特征是它包括大功率微波取样式测量头、高稳定检波器、单片机自动功率换算及指示，它们之间均为电连接，所述的大功率微波取样式测量头是由水负载和耦合机构直接结合在同一元件上组成。
2．根据权利要求1所述的一种小型便携式微波大功率计，其特征是所述的大功率微波取样式测量头中的耦合机构是由耦合探针组成，也可以是由耦合环组成，也可以是由耦合小孔组成。
3．根据权利要求1所述的一种小型便携式微波大功率计，其特征是所述的大功率微波取样式测量头中的水负载是由一系列垂直于波导壁的直插式水管组成，水管的排列可以是阶梯型线性排列，也可以是按一定的规律曲线排列，水管之间的间距可以是均匀的，也可以是非均匀的。
4．根据权利要求1或权利要求3所述的一种小型便携式微波大功率计，其特征是在所述的大功率微波取样式测量头的端口设置一个调配机构，调配机构是由调配螺钉组成，也可以是由调配膜片组成。
全文摘要
本发明公开了一种小型便携式微波大功率计,它包括大功率取样式测量头、高稳定检波器、单片机自动换算及指示,它们之间均为电连接,而取样式测量头是由按一定规律排列的一系列直插式水管作为水负载,使水负载的体积、重量得以大大降低,以耦合探针、耦合环或小孔作为取样耦合机构,然后将取样耦合机构与水负载直接结合在同一元件上组成,水负载和耦合机构的结合使得微波大功率计实现小型化、便携式成为可能。
文档编号G01R21/12GK1304044SQ0011261
公开日2001年7月18日 申请日期2000年1月11日 优先权日2000年1月11日
发明者王文祥, 张兆镗, 孙嘉鸿 申请人:电子科技大学