一種用於射頻功率測量的量熱式負載座的製作方法

2023-06-01 22:12:56 1

一種用於射頻功率測量的量熱式負載座的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於射頻功率測量的量熱式負載座，該負載座包括負載電阻元件、負載內導體過渡段和負載外導體；所述負載外導體的外表面為曳物面，負載內導體過渡段的內表面為曳物面，所述負載外導體和負載內導體過渡段形成一空氣腔；所述負載外導體的曳物面的頂端通過負載電阻元件與所述負載內導體過渡段的曳物面的頂端相連接。本發明所述技術方案能夠實現終端量熱式負載座在DC-18GHz頻段內，駐波小於1.01，採用的曳物線型外導體結構，使電場密度在負載座內傳輸時保持不變，耗散的電阻器內單位長度的功率相等，沿軸向均勻與直流時的情況完全相同，這樣保證了負載座的射頻-直流替代誤差足夠小。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種負載座，特別是涉及一種用於射頻功率測量的量熱式負載座。 一種用於射頻功率測量的量熱式負載座

【背景技術】
[0002] 為了保障裝備系統抗電磁幹擾能力和滿足電離輻射敏感度的測試要求，國內各領 域建造了大量的EMC實驗室和專用的EMC測試屏蔽車。其中射頻功率作為一項基本的測量 參數，在保證裝備系統的效能、無線通信質量、EMC性能測試等所起的作用是非常重要的。目 前，各國的標準實驗室均採用量熱計法和微量熱計法建立射頻小功率標準，因為這兩種方 法的理論研究比較成熟，所獲得的準確度在目前是最高的。量熱計法是根據直流替代微波 功率的原理建立起來的，採用這種理論建立的同軸小功率測量標準具有工作頻帶寬、負載 匹配性能好、特性穩定等特點。國外的一些機構如英國NPL、美國NIST、加拿大NRC等進行 了含有10MHz以下頻率範圍的功率標準的研製，分別有14mm、7mm、3· 5mm、2. 4mm等傳輸線形 式，但並未進行N型同軸功率標準的研製。
[0003] 在國內尚未建立10MHz以下頻段的射頻小功率標準。近年來，隨著高新技術的發 展，科研、國防及工業對功率測量的頻率範圍需求越來越高，本發明基於國際上採用量熱計 技術建立同軸功率基準，研製10MHz以下頻段的N型同軸射頻小功率標準，以填補我國射頻 小功率計量標準的空白，滿足科研、試驗、生產過程中對對射頻功率的量值溯源需求。負載 座的設計是射頻量熱計的關鍵技術，也是難點之一，要求具有低的電壓反射係數和良好的 射頻-直流轉化特性。同時，為了防止負載內部熱量的洩漏和外部熱量的影響，負載座的內 外導體選材設計很重要。
[0004] 因此，需要提供一種負載座，以滿足現代器件加工和高精密熱學測量的要求。


【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種用於N型同軸射頻功率測量的量熱式負載 座，滿足於射頻小功率測量標準的要求，具有良好的匹配特性，實現了對射頻功率高精度和 穩定性測量，保障射頻功率量值傳遞的準確和可靠。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明採用下述技術方案。
[0007] -種用於射頻功率測量的量熱式負載座，其特徵在於，該負載座包括負載電阻元 件、負載內導體過渡段和負載外導體；
[0008] 所述負載外導體的外表面為曳物面，負載內導體過渡段的內表面為曳物面，所述 負載外導體和負載內導體過渡段形成一空氣腔；
[0009] 所述負載外導體的曳物面的頂端通過負載電阻元件與所述負載內導體過渡段的 曳物面的頂端相連接。
[0010] 優選的，所述負載電阻元件包括基體，所述基體的外表面包裹有一層射頻功率吸 收材料。
[0011] 優選的，所述基體為圓柱形的氧化鈹材料。
[0012] 優選的，所述射頻功率吸收材料為鎳鉻耐熱合金。
[0013] 優選的，所述基體的兩端渡有金或銀層。
[0014] 優選的，所述負載外導體的材料為紫銅。
[0015] 優選的，該負載座進一步包括負載外導體隔熱段，所述負載外導體隔熱段與負載 外導體形成一圓柱形介質腔。
[0016] 優選的，所述負載外導體隔熱段為不鏽鋼材料。
[0017] 優選的，該負載座進一步包括輔助隔熱段，所述輔助隔熱段與負載外導體隔熱段 形成一圓柱形介質空腔。
[0018] 優選的，所述圓柱形介質腔內填充絕緣介質。
[0019] 本發明的有益效果如下：
[0020] 本發明所述技術方案能夠實現終端量熱式負載座在DC-18GHZ頻段內，駐波小於 1.01，採用的曳物線型外導體結構，使電場密度在負載座內傳輸時保持不變，耗散的電阻 器內單位長度的功率相等，沿軸向均勻與直流時的情況完全相同，這樣保證了負載座的射 頻-直流替代誤差足夠小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明；
[0022] 圖1示出本發明所述負載電阻元件的示意圖；
[0023] 圖2示出本發明所述曳物線軌跡的示意圖；
[0024] 圖3示出本發明所述一種用於射頻功率測量的量熱式負載座的剖面圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面結合一組實施例及附圖對本發明做進一步描述。
[0026] 本發明基於直流替代射頻功率的原理，將負載電阻節點置於電磁場中，使之直接 吸收射頻功率，熱節點的溫度上升，用直流替代射頻功率，假定射頻功率和直流功率在量熱 體有相等的熱效應，那麼就可以根據直流功率和溫差電動勢的關係來確定被測射頻功率。 因此，N型同軸射頻量熱計負載座作為一個重要的射頻和直流功率吸收器件，要求具有幾乎 近似的直流和射頻響應特性，同時，為了防止負載內部熱量的洩漏和外部熱量的影響，負載 座的內外導體選材設計很重要。本發明的負載座圍繞負載電阻的結構為中心，進行負載座 外導體的熱容量的設計，以及進行與負載電阻連接的負載座內導體熱隔離的設計。
[0027] 本發明公開了一種用於N型同軸射頻功率測量的量熱式負載座，該負載座包括負 載電阻元件1、負載內導體過渡段2和負載外導體3 ;所述負載外導體3的外表面為曳物面， 負載內導體過渡段2的內表面為曳物面，所述負載外導體3和負載內導體過渡段2形成一 空氣腔；所述負載外導體3的曳物面的頂端通過負載電阻元件1與所述負載內導體過渡段 2的曳物面的頂端相連接。
[0028] 可用於射頻負載的材料和外型結構較多，本實施例中負載電阻元件採用圓柱形的 氧化鈹材料作為基體，基體的外部包裹一層吸收材料，本實施例中吸收材料選用鎳鉻耐熱 合金Nichrome。為了提高負載電阻元件的導熱性，基體兩端鍍上銀或金。負載電阻元件的 外形大小與其承受的最大功率有一定關係，相同材料的電阻其外徑越大的所承受的功率也 越大。由於所採用的圓柱形電阻其外徑要小於N型內導體的外徑，必須在負載電阻的前端 設置一段負載內導體過渡段2,用來實現傳輸線與金屬薄膜電阻負載間銜接，能夠使電阻負 載吸收效率更高。
[0029] 本實施例中射頻負載座的外導體選用紫銅材料，滿足具有高熱導率和低熱容，盡 量少的熱時間常數等要求。負載外導體的外表面為曳物面，負載外導體的一端為與N型同 軸隔熱傳輸線相匹配的截面，另一端為曳物面的頂端，負載外導體的外表面設置為曳物面 能使負載座的電阻有效的吸收射頻功率，負載外導體的拖曳線面要求儘量光滑。為了防止 負載電阻元件熱量的流失，在負載外導體和N型同軸傳輸線銜接處的外部設有負載外導體 隔熱段。本實施例中負載外導體隔熱段和負載外導體之間形成一圓柱形的介質空腔，該介 質空腔的內容填充滿絕緣的支撐介質，用於保持負載外導體和N型同軸傳輸線的穩定銜 接。該負載座還包括設置在負載外導體隔熱段外部的輔助隔熱段，所述輔助隔熱段與負載 外導體隔熱段形成一圓柱形介質空腔，用於填充絕緣介質，以進一步阻止熱量流失，該輔助 隔熱段還用於與其他設變相連接。
[0030] 本發明的量熱式負載座與N型同軸隔熱傳輸線，以及外部良好的控溫和隔熱裝 置，可組建高精度和穩定性的射頻量熱計，實現的射頻功率測量範圍為10uW?50mW，頻率 範圍為DC?18GHz。本發明的量熱式功率座可廣泛應用於各級射頻功率測量標準，為射頻 功率計量檢定和校準系統中不可缺少的標準設備。
[0031] 下面通過一組實施例對本發明作進一步描述：
[0032] -種用於N型同軸射頻功率的量熱式負載座，該負載座結合負載電阻的元器件特 性，採用不同的材料和結構設計隔熱的方法，以減少負載電阻元件本身熱量的洩漏和受外 界溫度變化的影響。
[0033] 如圖1所示，負載電阻元件1的設計要符合N型同軸傳輸線結構。負載電阻元件1 包括：氧化鈹基體、射頻功率吸收材料以及基體兩端鍍金或銀層。為了保證可靠性，負載電 阻膜的最高溫度不能超過規定值，為了限制電阻膜的最高溫度，陶瓷基體的熱導率就要高， 由於氧化鈹陶瓷基體具有很高的熱導率（170WAm*K))和絕緣電阻，因此選用氧化鈹作為 射頻功率電阻的絕緣基體。射頻功率吸收材料選用鎳鉻耐熱合金Nichrome，覆蓋在陶瓷基 體上呈薄膜狀，再在陶瓷基體兩端鍍上金或銀。這種負載電阻原件1具有的特性：寬頻率範 圍DC?18GHz，負載吸收熱量後主要集中在負載兩端。其中負載電阻元件的最大功率值與 其尺寸大小有一定的關係，一般來說，用同一種吸收材料設計的薄膜電阻其功率值越大，其 尺寸大小也越大。本發明的負載電阻最大功率值50mW，其L大小約3. 175mm，直徑大小約為 1. 52mm，功率範圍：DC?18GHz，同時，其電阻阻值精度也會對量熱計負載座性能產生影響。 選用的電阻阻值為50 Ω，其精度為1 %。
[0034] 負載座外導體和內導體過渡段的設計。同軸線通常工作於主模TEM模，TEM波又叫 橫電磁波，E z = 0，HZ = 0,即電場和磁場只有橫向分量，由於所採用的圓柱形射頻功率吸熱 材料，其外徑要小於N型內導體的外徑，若直接將傳輸線與負載電阻對接，即使傳輸線和負 載電阻的特性阻抗相等，在兩同軸的交界處尺寸有突變，使得電場產生變形，這相當於激勵 起了非傳輸型的高次模，影響相當於在傳輸線上並聯了一個電容，這樣便不能達到匹配。必 須在負載吸收體的前端設計了一段過渡段，用來實現傳輸線與金屬薄膜電阻負載間銜接， 能夠使電阻負載吸收效率更高。電壓駐波比是同軸過渡段的設計的一項重要性能指標，為 了保證較低的電壓駐波比應重點解決過渡段阻抗匹配的問題，因此在設計過渡段時應儘量 使內外導體的結構簡單。根據Harris理論，選用曳物線型的外導體，可以保證電阻座中--Μ 波的傳播，消除其他的高次模的產生。
[0035] 如上圖2所示曳物線示意圖，即被曳物體受垂直於精緻狀態時繩線方向的牽引力 作用下的運動軌跡，曳物線的參數方程為：
[0036] X = lcos Θ
[0037] y = 1 · In [tan2 ( Θ + ji /4) ] -asin Θ
[0038] 其中Θ為切線和x軸的夾角。若被拖曳直線長度為1，拖曳直線的拖曳點始終在 y軸上，初始狀態拖曳點（〇,〇)，（1，〇)。則解得曳物線方程為：
[0039]

【權利要求】
1. 一種用於射頻功率測量的量熱式負載座，其特徵在於，該負載座包括負載電阻元件、 負載內導體過渡段和負載外導體； 所述負載外導體的外表面為曳物面，負載內導體過渡段的內表面為曳物面，所述負載 外導體和負載內導體過渡段形成一空氣腔； 所述負載外導體的曳物面的頂端通過負載電阻元件與所述負載內導體過渡段的曳物 面的頂端相連接。
2. 根據權利要求1所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述負載電阻元件包括基體，所 述基體的外表面包裹有一層射頻功率吸收材料。
3. 根據權利要求2所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述基體為圓柱形的氧化鈹材 料。
4. 根據權利要求2所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述射頻功率吸收材料為鎳鉻 耐熱合金。
5. 根據權利要求2所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述基體的兩端渡有金或銀層。
6. 根據權利要求1所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述負載外導體的材料為紫銅。
7. 根據權利要求1所述的量熱式負載座，其特徵在於，該負載座進一步包括負載外導 體隔熱段，所述負載外導體隔熱段與負載外導體形成一圓柱形介質腔。
8. 根據權利要求7所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述負載外導體隔熱段為不鏽 鋼材料。
9. 根據權利要求1所述的量熱式負載座，其特徵在於，該負載座進一步包括輔助隔熱 段，所述輔助隔熱段與負載外導體隔熱段形成一圓柱形介質空腔。
10. 根據權利要求7至8任意一項所述的量熱式負載座，其特徵在於，所述圓柱形介質 腔內填充絕緣介質。
【文檔編號】G01R21/02GK104155512SQ201410409950
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】張萌 申請人:北京無線電計量測試研究所