一种双负载波导量热计的替代效率测量方法和系统与流程

本申请涉及无线电测量领域，尤其涉及双负载波导量热计的测量。

背景技术：

双负载波导量热计作为复现功率量值的关键仪器设备，能够通过温度变化情况将微波功率溯源至直流功率，从而实现微波功率的准确测量。国际上对替代效率测量方法的研究工作主要集中在微量热计领域，其结构、工作过程、用途与量热计并不相同，无法借鉴。尤其是随着毫米波技术的不断进步，110GHz以上测量设备不断涌现，对功率参数提出了明确的量值溯源需求，而且在该频率范围复现功率量值仅能采用量热计方式。因此，为保证全部微波频段，尤其是110GHz以上频率范围功率量值的准确可靠，需要发明一种用于衡量工作隔热波导负载吸收微波功率和直流功率所引起的热电堆响应差异的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种双负载波导量热计的替代效率测量方法和系统，测量替代效率能够修正工作隔热波导负载吸收微波功率和直流功率所引起的热电堆响应存在差异。

本发明提供的一种双负载波导量热计的替代效率测量方法。双负载波导量热计包括工作隔热波导传输线、工作隔热波导负载、参考隔热波导传输线、参考隔热波导负载、热电堆。所述方法包括以下步骤：向工作隔热波导传输线输入微波信号，测量热电堆输出的第一电压值；用短路片将工作隔热波导传输线末端短路，再向工作隔热波导传输线输入相同功率的微波信号后，测量热电堆输出的第二电压值；测量工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数，计算双负载波导量热计的传输效率；测量短路片的反射系数；计算双负载波导量热计的替代效率：

其中，η_se为所述替代效率，e₁为第一电压值，e₂为第二电压值，η_te为传输效率，Γ_L为工作隔热波导负载的反射系数，Γ_s为短路片的反射系数。

本发明提供另一种双负载波导量热计的替代效率测量方法，包括以下步骤：向工作隔热波导传输线输入微波信号，测量热电堆输出的第一电压值；用短路片将工作隔热波导传输线末端短路，再向工作隔热波导传输线输入相同功率的微波信号后，测量热电堆输出的第二电压值；向工作隔热波导传输线输入直流信号，测量热电堆输出的第三电压值；测量工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数，计算双负载波导量热计的传输效率；测量短路片的反射系数；计算双负载波导量热计的吸收功率近似值；计算工作隔热波导传输线的损耗功率；计算工作隔热波导传输线的损耗功率对热电堆输出电压值的影响因子；计算工作隔热波导传输线的损耗功率与工作隔热波导负载的吸收功率的比值；计算双负载波导量热计的替代效率。

作为本发明双负载波导量热计的替代效率测量方法的一种优选方案，可以通过矢量网络分析仪测量工作隔热波导传输线的散射参数、工作隔热波导负载的反射系数和短路片的反射系数。第一电压值、第二电压值通过纳伏表测量。

工作隔热波导传输线的传输效率为：

其中，η_te为工作隔热波导传输线的传输效率，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为工作隔热波导传输线散射参数，Γ_L为工作隔热波导负载的反射系数。

作为本发明双负载波导量热计的替代效率测量方法的进一步改进，可以将微波信号分为两路，一路输入工作隔热波导传输线，另一路用于监视所述信号的功率。

本发明提供一种双负载波导量热计替代效率测量系统。双负载波导量热计包括工作隔热波导传输线、工作隔热波导负载、参考隔热波导传输线、参考隔热波导负载、热电堆；双负载波导量热计置于恒温桶内。测量系统包括：信号源、功分器、隔离器、短路片、纳伏表，和功率监视模块。信号源，用于输出微波信号；功分器，用于将微波信号分为两路，一路输入功率监视模块，另一路通过隔离器，输入到工作隔热波导传输线；功率监视模块，用于测量输入到工作隔热波导传输线的微波信号功率；纳伏表，与热电堆相连接，用于测量热电堆输出电压值；短路片，用于将工作隔热波导传输线末端短路。

作为本发明双负载波导量热计的替代效率测量的系统的进一步改进，测量系统包括衰减器，用于调节所述信号源输出信号的功率。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明提出了双负载波导量热计的替代效率测量方法和系统，能够提高双负载波导量热计直流/微波功率复现准确度，修正工作隔热波导负载吸收微波和直流功率所引起热电堆响应差异引入的测量误差。该方法适用于全部微波频段，尤其是对于110GHz以上频段，能够显著地提升功率标准的准确度。本发明提出的测量方法实施步骤简洁，测量结果准确可靠，本发明提出的测量系统设计简单、成本较低，具有广泛的经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为双负载波导量热计的系统框图；

图2为一种双负载波导量热计的替代效率测量方法的流程图；

图3为双负载波导量热计的替代效率测量方法的一种优选方案的流程图；

图4为双负载波导量热计的替代效率测量方法的优选方案改进的流程图；

图5为一种双负载波导量热计的替代效率测量系统框图；

图6为一种双负载波导量热计的替代效率测量系统改进方案的框图；

图7为双负载波导量热计的替代效率测量系统的另一种实施例。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

由于结构、温差测量位置的影响，工作隔热波导负载吸收微波功率和直流功率所引起的热电堆响应存在差异。本发明提出利用替代效率来表示双负载波导量热计的直流功率替代测量工作隔热波导负载吸收微波功率的效率。通过测量替代效率来修正由工作隔热波导负载吸收微波和直流功率所引起热电堆响应差异引入的测量误差，提高双负载波导量热计直流/微波功率复现准确度。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1是双负载波导量热计的系统框图。双负载波导量热计包括工作隔热波导传输线31、工作隔热波导负载32、参考隔热波导传输线33、参考隔热波导负载34、热电堆36。双负载波导量热计工作在恒温桶46内，并使用恒温桶盖35封闭。工作隔热波导传输线与工作隔热波导负载螺钉固定，参考隔热波导传输线与参考隔热波导负载螺钉固定，工作隔热波导传输线与恒温桶盖螺钉固定，参考隔热波导传输线与恒温桶盖螺钉固定，热电堆与工作隔热波导传输线的法兰和参考隔热波导传输线的法兰胶固定。

双负载波导量热计测量过程数学模型如下所示：微波功率输入工作隔热波导传输线时，贴敷在工作隔热波导传输线和参考隔热波导传输线法兰之间的热电堆，由于工作隔热波导负载的吸收功率和工作隔热波导传输线的损耗功率引起的温度变化，产生电压输出e₁，可由公式(1)表示：

e₁＝k(P_L+aP_i) (1)

式中，P_L是工作隔热波导负载的吸收功率，P_i是工作隔热波导传输线的损耗功率,k是工作隔热波导负载、参考隔热波导负载和热电堆之间在直流或微波功率加热条件下的热传输系数，a是工作隔热波导传输线上的损耗功率对热电堆输出电压值的影响因子。

当直流功率输入工作隔热波导传输线时，热电堆输出电压e₂如公式(2)表示：

e₂＝kP_dc (2)

式中P_dc是直流功率。

双负载波导量热计有效效率η可由公式(3)表示：

其中，表示直流替代功率，P_rf为双负载波导量热计的吸收功率，它等于工作隔热波导负载的吸收功率和工作隔热波导传输线的损耗功率之和。公式(3)可转化为公式(4)：

式中，双负载波导量热计的替代效率η_se，定义为双负载波导量热计的直流替代功率与工作隔热波导负载的吸收功率P_L的比值。

传输效率η_te，定义为工作隔热波导负载的吸收功率P_L与双负载波导量热计的吸收功率P_rf的比值，可以通过直接测量工作隔热波导传输线的散射参数计算得到；

考虑公式(1)，(2)，(4)，替代效率还可由公式(5)表示：

图2为一种双负载波导量热计的替代效率测量方法的流程图。该方法建立在公式(5)的基础上，需要分别计算出工作隔热波导传输线上的损耗功率对热电堆输出电压值的影响因子a，工作隔热波导传输线的损耗功率P_i与工作隔热波导负载的吸收功率P_L的比值后，就可得到双负载波导量热计的替代效率。所述方法可由步骤101～110表示。

步骤101、向工作隔热波导传输线输入微波信号，测量热电堆输出的第一电压值。

在步骤101中，可以使用信号源输出微波信号，通过隔离器，输入安装在恒温桶内部的工作隔热波导传输线，对与工作隔热波导传输线连接的工作隔热波导负载进行加热，工作隔热波导负载外壁由于吸收微波功率温度升高，参考隔热波导负载外壁表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示第一电压值e₁。

步骤102、用短路片将工作隔热波导传输线末端短路，再向其输入相同功率的微波信号后，测量热电堆输出的第二电压值。

在步骤102中，关闭电压参考源，将短路片螺钉固定在工作隔热波导传输线和工作隔热波导负载之间，使工作隔热波导传输线末端短路。待纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，打开信号源，信号源输出与步骤101相同功率的微波信号，通过隔离器，输入工作波导隔热传输线，经短路片反射后，通过工作波导隔热传输线后被隔离器吸收。工作隔热波导传输线由于微波功率损耗产生热量表面温度升高，参考隔热波导传输线表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示的第二电压值e₂。

需要说明的是，纳伏表是一种高灵敏的电压表，测量精度可以达到10的负9次方伏，因此用纳伏表测量电压是一种优选方案，但本发明实施例中，热电堆输出温差热电势可以用纳伏表测量，也可以其他的具有较高测量精度的电压测量设备测量，这里不做具体限定。

步骤103、向工作隔热波导传输线输入直流信号，测量热电堆输出的第三电压值。

在步骤103中，关闭信号源，纳伏表指示电压开始减小，待纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，通过电压参考源对工作隔热波导负载输入直流功率，记录下电压参考源输出的直流功率P_dc，工作隔热波导负载外壁由于吸收直流功率温度升高，参考隔热波导负载外壁表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示的第三电压值e₃。

步骤104、测量工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数，计算双负载波导量热计的传输效率。

在步骤104中，工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数可以通过矢量网络分析仪测量，需要说明的是，在本发明实施例中，所述的散射参数和反射系数可以通过矢量网络分析仪测量，也可以是其他的电子测量设备，这里不做具体限定。

工作隔热波导传输线的传输效率η_te的计算公式如下所示：

其中，η_te为工作隔热波导传输线的传输效率，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为所述工作隔热波导传输线散射参数，Γ_L为工作隔热波导负载的反射系数。

步骤105、测量短路片的反射系数。

在步骤105中，短路片的反射系数，可以通过矢量网络分析仪测量得到。

步骤106、计算双负载波导量热计的吸收功率近似值。

在步骤106中，计算双负载波导量热计的吸收功率近似值，首先假设双负载波导量热计的替代效率为1，则双负载波导量热计的吸收功率近似值可以用公式(7)表示：

其中，P_rf,app为吸收功率的近似值，e₁为第一电压值，e₃为第三电压值，P_dc为直流功率，η_te为工作隔热波导传输线的传输效率。

步骤107、计算工作隔热波导传输线的损耗功率。

在步骤107中，由于步骤102中输入的微波功率与步骤101中输入的微波功率相同，因此可以认为在步骤101和步骤102种的双负载波导量热计的吸收功率不变，都采用步骤106中的近似值P_rf,app。

短路片表面的输入功率P_si为：

P_si＝P_rf,appη_te (8)

短路片表面的吸收功率P_sa与短路片表面的输入功率P_si和短路片表面的反射功率P_sr相关，Γ_s为短路片的反射系数，则短路片表面的吸收功率P_sa可由公式(13)计算。

P_sa＝P_rf,appη_te(1-|Γ_s|²) (9)

工作隔热波导传输线的损耗功率P_i可由公式(14)计算：

P_i＝P_rf,app(1-η_te)+P_rf,appη_te|Γ_s|²(1-η_te) (10)

步骤108、计算工作隔热波导传输线的损耗功率对热电堆输出电压值的影响因子。

在步骤108中，由于短路片安装在工作隔热波导传输线末端，可以认为其热传导路径与工作隔热波导传输线相同，影响因子为a不变。在工作隔热波导传输线末端短路的条件下，热电堆输出电压e₂与短路片吸收功率、工作隔热波导传输线损耗功率之间的关系如公式(11)所示：

工作隔热波导传输线的损耗功率对热电堆输出的影响因子a可以通过公式(12)计算。

公式(12)中，e₂为双负载波导量热计热电堆输出第二电压值、η_te为工作隔热波导传输线传输效率、Γ_s为短路片反射系数，均可准确测量。k是工作隔热波导负载、参考隔热波导负载和热电堆之间在直流、微波功率加热条件下的比例系数，可以通过公式(2)计算。

步骤109、计算工作隔热波导传输线的损耗功率与工作隔热波导负载的吸收功率的比值。

在步骤109中，工作隔热波导传输线的损耗功率与工作隔热波导负载的吸收功率的比值P_i/P_L由物理定义可得：

其中，η_te为工作隔热波导传输线的传输效率，Γ_L为工作隔热波导负载的反射系数。

步骤110、计算双负载波导量热计的替代效率。

在步骤110中，根据公式(5)计算双负载波导量热计的替代效率。

图3为双负载波导量热计的替代效率测量方法的一种优选方案的流程图。图3所示的测量方法是图2所示的测量方法的一种优化，在不损失精度的情况下，操作步骤和计算过程都更加简洁。所述方法可由步骤21～25表示。

步骤21、向工作隔热波导传输线输入微波信号，测量热电堆输出的第一电压值。

在步骤21中，可以使用信号源输出微波信号，通过隔离器，输入安装在恒温桶内部的工作隔热波导传输线，对与工作隔热波导传输线连接的工作隔热波导负载进行加热，工作隔热波导负载外壁由于吸收微波功率温度升高，参考隔热波导负载外壁表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示第一电压值e₁。

步骤22、用短路片将工作隔热波导传输线末端短路，再向工作隔热波导传输线输入相同功率的微波信号后，测量热电堆输出的第二电压值。

在步骤22中，将短路片螺钉固定在工作隔热波导传输线和工作隔热波导负载之间，使工作隔热波导传输线末端短路。待纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，打开信号源，信号源输出与步骤21相同功率的微波信号，通过隔离器，输入工作波导隔热传输线，经短路片反射后，通过工作波导隔热传输线后被隔离器吸收。工作隔热波导传输线由于微波功率损耗产生热量表面温度升高，参考隔热波导传输线表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示的第二电压值e₂。

需要说明的是，纳伏表是一种高灵敏的电压表，测量精度可以达到10的负9次方伏，因此用纳伏表测量电压是一种优选方案，但本发明实施例中，热电堆输出温差热电势可以用纳伏表测量，也可以其他的具有较高测量精度的电压测量设备测量，这里不做具体限定。

步骤23、测量工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数，计算双负载波导量热计的传输效率。

在步骤23中，工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数可以通过矢量网络分析仪测量，需要说明的是，在本发明实施例中，所述的散射参数和反射系数可以通过矢量网络分析仪测量，也可以是其他的电子测量设备，这里不做具体限定。

工作隔热波导传输线的传输效率η_te根据公式(6)计算。

步骤24、测量短路片的反射系数。

步骤25、计算双负载波导量热计的替代效率。

在步骤25中，双负载波导量热计的替代效率通过公式(14)计算得到。

其中，η_se为替代效率，e₁为步骤21测量得到的第一电压值，e₂为步骤22测量得到的第二电压值，η_te为步骤23计算得到的传输效率，Γ_L为工作隔热波导负载的反射系数，Γ_s为短路片的反射系数。

图4为双负载波导量热计的替代效率测量方法的优选方案改进的流程图。所述方法可由步骤20～25表示。

步骤20、微波信号分为两路，一路用于输入工作隔热波导传输线，另一路用于监视信号的功率。

在步骤21中，由于本方法每次测量电热堆的输出的电压值，都需要输入功率相同的微波信号。为了提升测量结果的准确性，可将输入的微波信号分为两路，一路用于输入工作隔热波导传输线；另一路用于监视信号的功率，将此路信号通过监视功率座连接到监视功率计，记录下监视功率计的功率读数。如果当前功率读数与前次测量的功率读数不一致，需要调整信号源的输出功率。

步骤22、向工作隔热波导传输线输入微波信号，测量热电堆输出的第一电压值。

步骤23、用短路片将工作隔热波导传输线末端短路，再向工作隔热波导传输线输入相同功率的微波信号后，测量热电堆输出的第二电压值。

步骤24、测量工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载的反射系数，计算双负载波导量热计的传输效率。

步骤25、测量短路片的反射系数。

步骤26、计算所述双负载波导量热计的替代效率。

图5为本发明提供的一种双负载波导量热计的替代效率测量系统框图。双负载波导量热计包括工作隔热波导传输线、工作隔热波导负载、参考隔热波导传输线、参考隔热波导负载、热电堆；双负载波导量热计置于恒温桶内，并使用恒温桶盖封闭。测量系统包括：信号源37、功分器39、功率监视模块40、隔离器41、弯波导42、纳伏表43、和短路片47。信号源，用于输出微波信号；功分器，用于将微波信号分为两路，一路输入功率监视模块，另一路通过隔离器，输入到工作隔热波导传输线；功率监视模块，用于测量输入到工作隔热波导传输线的微波信号功率；纳伏表，与热电堆相连接，用于测量热电堆输出电压值；短路片，用于将工作隔热波导传输线末端短路。

本系统各部件的连接方式为信号源和功分器螺钉固定，功分器一端与功率监视模块螺钉固定，功分器另一端与隔离器螺钉固定，隔离器与弯波导螺钉固定，弯波导与恒温桶盖螺钉固定、恒温桶盖与恒温桶螺钉固定。

信号源输出微波信号，经功分器分为两路，一路输入至功率监视模块，记录下功率读数P_REF；另一路输入隔离器，经过弯波导输入安装在恒温桶内部的工作隔热波导传输线，对与工作隔热波导传输线连接的工作隔热波导负载进行加热，工作隔热波导负载外壁由于吸收微波功率温度升高，参考隔热波导负载外壁表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示电压e₁。

将短路片螺钉固定在工作隔热波导传输线和工作隔热波导负载之间，使工作隔热波导传输线末端短路。待纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，打开信号源，信号源输出相同功率的微波信号，通过隔离器，输入工作波导隔热传输线，经短路片反射后，通过工作波导隔热传输线后被隔离器吸收。工作隔热波导传输线由于微波功率损耗产生热量表面温度升高，参考隔热波导传输线表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示的第二电压值e₂。

根据工作隔热波导传输线散射参数和工作隔热波导负载和短路片的反射系数，计算双负载波导量热计的传输效率。

再由公式(14)计算得到双负载波导量热计的替代效率。

图6为一种双负载波导量热计的替代效率测量系统改进方案的框图。本方案在图5所示方案的基础上增加了衰减器38，用于调节所述信号源输出信号的功率，使每次测量的输入的微波信号功率一致。

图7为双负载波导量热计的替代效率测量系统的另一种实施例。它在图6所示方案的基础上增加了电压参考源44，将功率监视模块设计为监视功率座51和监视功率计52。电压参考源，用于给双负载波导量热计提供直流功率。

该系统对应于图2所示的双负载波导量热计的替代效率测量方法。通过电压参考源对工作隔热波导负载输入直流功率，记录下电压参考源输出的直流功率，工作隔热波导负载外壁由于吸收直流功率温度升高，参考隔热波导负载外壁表面温度基本不变，工作隔热波导传输线法兰和参考隔热波导传输线法兰之间由于传导换热产生一定温差，热电堆输出温差热电势，通过纳伏表测量，一直到纳伏表指示电压稳定之后，即电压稳定度小于20nV时，记录下纳伏表指示的电压值。可以根据公式(5)计算工作隔热波导负载、参考隔热波导负载和热电堆之间在直流、微波功率加热条件下的比例系数。

本发明提出的测量方法实施步骤简洁，测量系统设计简单、成本较低，能够提高双负载波导量热计直流/微波功率复现准确度，修正工作隔热波导负载吸收微波和直流功率所引起热电堆响应差异引入的测量误差。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。