高頻和微波功率基準(zhǔn)及其應(yīng)用研究----微量熱計(jì)基本理論研究（一）

由式(2-6)可見，穩(wěn)態(tài)溫差θs與所加的功率P 1成正比;因此，可以作為被測(cè)功率的量度。當(dāng)功率P 1一定時(shí)，熱阻R m越大，則穩(wěn)態(tài)溫差越大。但是，熱阻R m增大，τ也增大，這將使量熱計(jì)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間增長(zhǎng)。

當(dāng)量熱計(jì)加入高頻和微波功率時(shí)，由式(2-6)，熱電堆兩端產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)熱電勢(shì)ERF與負(fù)載吸收的功率PgL成正比。即

式中ERF代表熱電堆對(duì)PgL的響應(yīng)系數(shù)。

當(dāng)量熱計(jì)輸入端加入直流校準(zhǔn)功率P DC時(shí)，熱電堆產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)熱電勢(shì)為

式中，KDC為熱電堆對(duì)PDC的響應(yīng)。

假定，高頻和微波功率P gL和直流校準(zhǔn)功率P DC對(duì)熱電堆有同樣的響應(yīng)，即KDC =KRF，按上述分析，PgL應(yīng)為

式(2-10)是量熱計(jì)測(cè)量高頻和微波功率的基本公式，只需再測(cè)得隔熱傳輸線的傳輸效率，就可以得到量熱計(jì)吸收的總功率。

量熱式功率計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差小、可過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大(可達(dá)30～40dB)、阻抗匹配好。

量熱計(jì)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時(shí)間常數(shù)大(測(cè)量時(shí)間長(zhǎng))，對(duì)環(huán)境溫度及配套計(jì)量設(shè)備穩(wěn)定性要求高。量熱計(jì)更適合用于頻段較高的厘米波及毫米波波段，因?yàn)轭l段越高，相應(yīng)負(fù)載的熱容量也越小。

為縮短量熱計(jì)的時(shí)間常數(shù)，美國(guó)NBS率先研制了一種自動(dòng)反饋式量熱計(jì)，通過(guò)自動(dòng)反饋系統(tǒng)控制加在參考量熱體上的直流功率來(lái)保持工作和參考量熱體間的溫差恒定。圖2-4是一種自動(dòng)反饋式量熱計(jì)的原理圖，通過(guò)自動(dòng)反饋系統(tǒng)控制加在工作量熱體上的輔助加熱直流功率，保持工作和參考量熱體間的溫差恒定。式(2-3)在添加了直流功率項(xiàng)后也使用于對(duì)自動(dòng)反饋式量熱計(jì)的熱分析，可以證明在保持工作和參考量熱體間的溫差恒定的條件下，直流功率可以作為被測(cè)功率的量度。

如1.2.2所述，一般將分別通過(guò)測(cè)量溫度變化來(lái)測(cè)量功率的方式稱為升溫方式，保持溫度或溫差不變的方式為等溫方式。

2.3微量熱計(jì)的經(jīng)典理論

微量熱計(jì)是用測(cè)輻射熱器座作為量熱體的量熱計(jì)，微量熱計(jì)的工作原理實(shí)際上是測(cè)輻射熱器功率計(jì)和量熱計(jì)的組合。它既利用量熱計(jì)高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)，又利用熱敏電阻式功率計(jì)響應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，用熱敏電阻功率座作為量熱計(jì)負(fù)載，借助于量熱計(jì)技術(shù)，精確測(cè)量熱敏電阻功率座的有效效率。

MavPherson和Kerns設(shè)計(jì)的微量熱計(jì)是所有微量熱計(jì)的基礎(chǔ)，隨后由Engen做了改進(jìn)，之后由很多國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室作了進(jìn)一步的改進(jìn)。最初的微量熱計(jì)依然采用雙負(fù)載結(jié)構(gòu)，也有些國(guó)家研制了單負(fù)載微量熱計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中采用了自動(dòng)反饋技術(shù)和精密恒溫技術(shù)，可以大大縮短時(shí)間常數(shù)和降低對(duì)環(huán)境溫度的要求。

圖2-5給出了這種微量熱計(jì)的一般結(jié)構(gòu)。負(fù)載是一個(gè)測(cè)輻射熱器座，測(cè)量的目的是確定座的有效效率。在測(cè)量結(jié)束后，測(cè)輻射熱器座被移出量熱計(jì)，用它作為工作標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行功率測(cè)量和功率量值的傳遞。使用微量熱計(jì)測(cè)量波導(dǎo)測(cè)輻射熱器座有效效率的不確定度，在40GHz內(nèi)，能夠做到小于0.5%，直到100GHz時(shí)，仍小于1%.微量熱計(jì)技術(shù)也用來(lái)校準(zhǔn)同軸座，由于同軸座的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量不確定度略有增加。

微量熱計(jì)區(qū)別于量熱計(jì)的主要部分就是測(cè)輻射熱器座。座內(nèi)的測(cè)輻射熱器元件吸收功率導(dǎo)致的溫升引起測(cè)輻射熱元件電阻的變化，這一變化可以被電橋檢測(cè)到。

測(cè)輻射熱元件主要有三種類型：鎮(zhèn)流電阻、熱敏電阻和薄膜熱變電阻。

鎮(zhèn)流電阻由一根細(xì)金屬導(dǎo)線和一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電阻所組成，雖然靈敏度很高，但頻率特性差，而且能夠承受的功率很小，易燒毀;薄膜熱變電阻使用薄金屬片作為溫度敏感電阻器，能夠承受的功率較大，但靈敏度較低，在一些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中用于高頻電壓標(biāo)準(zhǔn);用于測(cè)輻射熱器座的熱敏電阻由半導(dǎo)體材料的小珠組成，它能承受一定的功率，而且其阻抗特性具有較大的負(fù)溫度系數(shù)，所以目前用于微量熱計(jì)的測(cè)輻射熱器座均是熱敏電阻座。

由于熱敏電阻座結(jié)構(gòu)的原因，熱敏電阻吸收的高頻和微波功率不是損耗在熱敏電阻座中高頻和微波功率的全部，吸收的比率可以用熱敏電阻座效率來(lái)描述。

圖2-5中自平衡電橋的作用是提供一個(gè)自動(dòng)控制的直流功率P DC給熱敏電阻元件以保持它的阻值恒定，從而保證橋的平衡。熱敏電阻上的直流功率為

式中V是熱敏電阻兩端的直流電壓，而R是電橋中固定電阻的阻值。

當(dāng)高頻和微波功率加在熱敏電阻上時(shí)，直流功率會(huì)自動(dòng)減少，減少的直流功率被稱為直流替代功率。一般情況下直流替代功率會(huì)小于熱敏電阻座吸收的高頻和微波功率。產(chǎn)生差異的原因之一是一部分高頻和微波功率在座上，而不是在熱敏電阻上被吸收了。第二個(gè)原因是由于高頻、微波信號(hào)與直流信號(hào)在熱敏電阻中分布不同導(dǎo)致的。信號(hào)分布的不同導(dǎo)致在熱敏電阻上的溫度分布可能存在差異，使等量的高頻、微波與直流功率不能使直流阻抗產(chǎn)生相等的變化，這種差異不全部是熱敏電阻自身的特性，部分依賴于座中的場(chǎng)分布，可以用替代效率表示。

一般用熱敏電阻座的有效效率表示替代效率和效率的綜合效果

有效效率因?yàn)榇砹颂娲屎托实木C合效果，是描述熱敏電阻座特性最常用的量。

微量熱計(jì)的基本原理是以高頻和微波功率可以通過(guò)量熱測(cè)量和測(cè)輻射熱這兩種方法進(jìn)行測(cè)量為基礎(chǔ)的。高頻和微波功率在熱敏電阻座中產(chǎn)生的熱量分為兩部分，一部分在熱敏電阻中，另一部分在熱敏電阻座的壁中，測(cè)輻射熱的方法只測(cè)量在熱敏電阻元件上吸收的高頻和微波功率，而量熱測(cè)量包括熱敏電阻座內(nèi)全部功率。這兩個(gè)功率的比率就是被測(cè)熱敏電阻座的有效效率。和量熱計(jì)的測(cè)量方式一樣，微量熱計(jì)也可分為升溫方式和等溫方式。