专利名称：基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种微波功率测量系统，具体涉及一种基于量热法的兆瓦级 微波功率测量系统。
技术背景在受控核聚变实验研究中，用于等离子体辅助加热的电子回旋共振加热(ECRH)系统，是一个由回旋管、传输线和发射天线构成的毫米波大功率微 波系统，单模功率在0.5-1MW，频率35-170GHz，脉宽0.5-10s，微波输出功 率是表征该系统规模的一个重要参数。同时，在回旋管调试和等离子体加热 实验中，微波功率也是最为关心的参数。因此，在ECRH系统中，必须建立 可靠的微波功率测量系统。目前，流体量热法仍是微波大、中功率测量中采用的主要方法之一。它 是利用微波对水的热效应，将微波能转换为水的热能，测量水在这一过程中 产生的温度变化来测知微波功率。量热式大功率计就是基于这一原理制成 的，如图1所示，它主要包括微波水负载10、出口温度传感器3、电加热器 4、水管l、功率标定电源5和指示电表9。这种量热式大功率计测量微波功 率的原理为出口温度传感器3测量水管1出水处的温度，从指示电表9上 读取对应的数值；微波水负载10吸收微波功率后，水管1出水处的水温升 高到一个新的稳定值，将加入微波功率前后的两个温度相减，得到温差AT， 根据公式P=cdvAT计算出待测的微波功率P (W)，式中c-水的比热(单 位J/kg，K)， d-水的密度(单位kg/m3)， v-水的流量(mVs)， AT-水温的升高(单 位K)。实际测量时多用替代法测量其功率值。先作功率标定，由功率标定电源 5对电加热器4提供已知电功率P = UI加热水，U-电压(单位V)， I-电流(单 位A)，由指示电表9读得稳态时对应温升AT^的读数Vp得到定标系数 !^UI/Vi。做功率测量时，读得对应微波功率加热水引起的温升AT2的读数 V2，由此得到待测微波功率P=kV2。只要在功率标定和功率测量时，保持水 的流量不变，就不用测知水的流量的绝对值。这种量热式大功率计可测量的功率范围在5 —2000W，但只能测量CW
微波功率或连续脉冲微波的平均功率，不能测量单个脉冲的微波功率。
如果采用不同于量热法的定向耦合器法，在大功率毫米波段，这种器件 的设计制造技术要求较高，目前，仍处于探索阶段，还未得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，该 系统能够测量毫米波段的多路脉冲大功率微波功率，测量功率范围为1千瓦 至几兆瓦。
实现本发明目的的技术方案 一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系 统，它包括水管、出口温度传感器、电加热器和功率标定电源，水管内的水 流出口B处设有出口温度传感器，水管内设有电加热器，电加热器与功率标 定电源连接，其中，微波功率吸收器的进口处设有微波检波装置，水管贯穿 微波功率吸收器内壁的水管，水管内的水流进口 A处设有进口温度传感器；进口温度传感器的NTC热敏电阻R3的一端与平衡电阻Rl的一端连接，出 口温度传感器的NTC热敏电阻R4的一端与平衡电阻R2的一端连接，NTC 热敏电阻R3的另一端与NTC热敏电阻R4的另一端均接地，平衡电阻R1的 另一端与平衡电阻R2的另一端连接，平衡电阻R1的另一端和平衡电阻R2 的另一端均与直流稳压电源相连，上述NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、 平衡电阻R1与平衡电阻R2共同组成温斯顿电桥；温斯顿电桥与差分放大电 路连接。
所述的水管内的进口温度传感器与微波功率吸收器之间的管段内设有电 加热器。
所述的温斯顿电桥一臂的输出端E与差分放大电路的OA的输入端G连 接，温斯顿电桥另一臂的输出端F与差分放大电路的OA的输入端H连接； 温斯顿电桥一臂的输出端E还与差分放大电路的R1连接。
本发明的效果在于能够测量1千瓦至几兆瓦的多路脉冲微波功率。改 变功率吸收器的结构和调整水管水流的流速，就可以适应不同的功率测量范 围。增强微波功率吸收器的射频高压耐受限度，可以提高功率测量范围；增 加微波功率吸收器内部水管的体积或加大水流的流量都可以降低水流的温度 变化范围，使温度传感器工作在合适的温度测量范围，从而适应所测微波功 率的提高。采用两个NTC热敏电阻分别作为水管进出口处的温度传感器，
NTC热敏电阻灵敏度高，热响应时间快，阻值较大，很适于远距离、动态温 度的测量；并且将两个温度传感器分别接入温斯顿电桥的两臂，不需要知道两处的绝对温度变化，简化了测量电路的设计和减少了测量误差。温斯顿电 桥两臂输出的对应于水管进出口处温度变化的两个电压信号，幅度相差很小， 而且存在很高的共模电压，经后一级低漂移差分放大电路处理，得到具有高 信噪比且满足多种数据记录设备灵敏度范围的电压信号。
图1为一种现有的量热式大功率计的结构示意图； 图2为一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统的示意图。 图中l.水管；2.进口温度传感器；3.出口温度传感器；4.电加热器；5. 功率标定电源；6.微波功率吸收器；7.微波检波装置；8.差分放大电路；9.指 示电表；IO.微波水负载；A.水流进口； B.水流出口； C:电源输入端；D.电 压输出端；E.温斯顿电桥输出端；F.温斯顿电桥输出端；G.差分放大器输入端; H.差分放大器输入端；I.接地端；M.待测脉冲微波；Rl和R2.平衡电阻；R3和R4.NTC热敏电阻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如图2所示， 一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，包括水管l、 进口温度传感器2、出口温度传感器3、电加热器4、功率标定电源5、微波 功率吸收器6、微波检波装置7和差分放大电路8。微波功率吸收器6的进口 处侧壁设有微波检波装置7，微波检波装置7为微波检波二极管，微波检波 二极管的型号为D407或1N53SYLVANIA。水管1贯穿微波功率吸收器6内 壁的水管，水管1内的水流进口 A处设有进口温度传感器2，水管1内的水 流出口 B处设有出口温度传感器3，进口温度传感器2和出口温度传感器3 均为NTC热敏电阻。水管1内的进口温度传感器2与微波功率吸收器6之间 的管段内设有电加热器4，电加热器4为镍铬铁电阻丝，也可以是常用的加 热电阻丝。电加热器4与功率标定电源5连接。进口温度传感器2由金属外 壳和位于金属外壳内的NTC热敏电阻R3组成，出口温度传感器3由金属外 壳和位于金属外壳内的NTC热敏电阻R4组成。进口温度传感器2的NTC 热敏电阻R3的一端与平衡电阻Rl的一端连接，出口温度传感器3的NTC
热敏电阻R4的一端与平衡电阻R2的一端连接，NTC热敏电阻R3的另一端 与NTC热敏电阻R4的另一端均接地，平衡电阻R1的另一端与平衡电阻R2 的另一端连接，平衡电阻R1的另一端和平衡电阻R2的另一端均与直流稳压 电源相连，平衡电阻R1与平衡电阻R2均与直流稳压电源相连。上述NTC 热敏电阻R3、 NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2共同组成温斯 顿电桥。温斯顿电桥一臂的输出端E与差分放大电路8的OA的输入端G连 接，温斯顿电桥另一臂的输出端F与差分放大电路8的OA的输入端H连接; 温斯顿电桥一臂的输出端E还与差分放大电路8的i ,连接。差分放大器8的 型号可以是INA114、 AD8221或MAX4994等。本发明提供的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统的使用方法 电子回旋共振加热(ECRH)系统的待测脉冲微波M进入微波功率吸收器6， 微波功率吸收器6吸收微波的同时，待测脉冲微波M经微波检波装置7测出 微波脉宽。微波功率吸收器6的内壁绕有吸收微波功率的水管，在水管l的 水流进口 A通入一定流量的水流，水流经微波功率吸收器6从水流出口 B流 出水管1。进口温度传感器2测量水流进口 A处水的温度，出口温度传感器 3测量水流出口 B处水的温度。当微波功率吸收器6内壁水管吸收微波功率 被加热后，水流出口B处水的温度将发生变化；进口温度传感器2和出口温 度传感器3，实时将水流进口 A和水流出口 B两处的水的温度信号依次经温 斯顿电桥和差分放大器8转化为电压信号，即差分放大电路8电压输出端D 的电压信号对应微波功率引起的水流进口 A和水流出口 B处水的温度差。差 分放大电路8的电压输出端D与通用记录设备的输入端连接，进行数据的记 录存储、图形显示和数据处理计算。差分放大电路8电压输出端D连接的数 据记录设备可以是各种通用记录设备如x-y记录仪或数字存储示波器，也可 以是专门研制的数据采集和数据处理系统。实际测量时用替代法来进行微波功率的测量。替代法求待测微波功率具 体包括以下步骤(1)首先要进行标定得到功率定标系数"功率定标系数A由下面公式 计算得到<formula>formula see original document page 7</formula>
上式中A:—功率定标系数(单位为W/V)。
<formula>formula see original document page 8</formula>/为功率标定电源5提供的标定电压(单位F )， /为功率标定电源5提供的标定电流(单位」)； A为功率标定电源5功率标定时设定的时间宽度(单位为S)。 &为功率标定时所得温差信号包络下的面积(单位为ra)，<formula>formula see original document page 8</formula> ，式中MXO指功率标定电源5通过电加热器4对水流加热，引起的水流进口 A和水流出口B两处水温变化的温度差；在本系统中，A7XO的值由差分放大电路8 输出电压VD的值替代。式中积分下限^为电加热器4对水流开始加热的时间， 此时，水温还没有变化，A7X0=0， V!^0,加热时间一般为5-IOS，视所测微波 功率大小而定。加热后，A7X,)开始上升，由小变大，然后又下降，由大变小， 直至水流进口 A和水流出口 B的温差为零，即又A7V"0，此时差分放大电路8输出电压VD也为零，此时刻即为式中积分上限t2， t2—般为150S左右。 (2)求待测微波功率温差信号包络下的面积^，根据下式求得上式中A r'(t)是微波功率M进入微波功率吸收器6其内壁水管产生热 效应后，对水管1进口出口水温引起的随时间变化的温差;在本系统中，A r'(t) 的值由差分放大电路8输出电压VD的值替代。式中积分上下限14、 t3的定义 与上段(1)中的t2、 ^类似。积分下限t3为微波功率刚开始进入微波功率吸收器6的起始时刻，此时Ar(t)K)， VD=0，积分上限t4为微波功率吸收器6 内壁水管产生的热效应消失后，即水流进口 A和水流出口 B的温差为零所需 的时间，此时差分放大电路8输出电压VD也为零，t4一般为150S左右。(3)根据上述步骤(1)和(2)求得的功率定标系数yt和待测微波功率温差信号包络下的面积、求待测微波功率iV。根据量热法功率计算公式，求 得待测微波功率i^为式中i^一待测微波功率(单位W); fc—功率定标系数(单位w/v);
温差信号Ar(O曲线包络下的面积(单位^); 待测微波功率的脉 宽(单位S)， D"由微波检波装置7测量得到。
权利要求
1.一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，它包括水管(1)、出口温度传感器(3)、电加热器(4)和功率标定电源(5)，水管(1)内的水流出口B处设有出口温度传感器(3)，水管(1)内设有电加热器(4)，电加热器(4)与功率标定电源(5)连接，其特征在于微波功率吸收器(6)的进口处设有微波检波装置(7)，水管(1)贯穿微波功率吸收器(6)内壁的水管，水管(1)内的水流进口A处设有进口温度传感器(2)；进口温度传感器(2)的NTC热敏电阻R3的一端与平衡电阻R1的一端连接，出口温度传感器(3)的NTC热敏电阻R4的一端与平衡电阻R2的一端连接，NTC热敏电阻R3的另一端与NTC热敏电阻R4的另一端均接地，平衡电阻R1的另一端与平衡电阻R2的另一端连接，平衡电阻R1的另一端和平衡电阻R2的另一端均与直流稳压电源相连，上述NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2共同组成温斯顿电桥；温斯顿电桥与差分放大电路(8)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统， 其特征在于所述的水管(1)内的进口温度传感器(2)与微波功率吸收器(6)之间的管段内设有电加热器(4)。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系 统，其特征在于所述的电加热器(4)为镍铬铁电阻丝或常用的加热电阻丝。
4. 根据权利要求1所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统， 其特征在于所述的微波检波装置(7)为微波检波二极管。
5. 根据权利要求4所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统， 其特征在于所述的微波检波二极管的型号为D407或1N53SYLVANIA。
6. 根据权利要求1所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统， 其特征在于所述的温斯顿电桥一臂的输出端E与差分放大电路(8)的OA 的输入端G连接，温斯顿电桥另一臂的输出端F与差分放大电路(8)的OA 的输入端H连接；温斯顿电桥一臂的输出端E还与差分放大电路(8)的i ,连 接。
7. 根据权利要求1或6所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系 统，其特征在于所述的差分放大电路(8)的型号可以是INA114、 AD8221 <formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本发明属于一种微波功率测量系统，具体公开一种基于量热法的兆瓦级脉冲微波功率测量系统，水管内水流出口设有出口温度传感器，水管内设有电加热器，电加热器与功率标定电源连接，其中，微波功率吸收器进口设有微波检波装置，水管贯穿功率吸收器内壁水管，水管内的水流进口处设有进口温度传感器；进口温度传感器的NTC热敏电阻R3与平衡电阻R1连接，出口温度传感器的NTC热敏电阻R4与平衡电阻R2连接，NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2组成温斯顿电桥；温斯顿电桥与差分放大电路连接。本发明能够测量毫米波段的多路脉冲大功率微波功率，测量功率范围为1千瓦至几兆瓦。
文档编号G01R31/00GK101126780SQ200710163510
公开日2008年2月20日 申请日期2007年10月12日 优先权日2007年10月12日
发明者白兴宇, 陆志鸿, 军 饶 申请人:核工业西南物理研究院