[发明专利]基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统

说明书

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。

背景技术

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1、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ΔT，根据公式：P＝cdvΔT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(m³/s)，ΔT-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ΔT₁的读数V₁，得到定标系数K＝UI/V₁。做功率测量时，读得对应微波功率加热水引起的温升ΔT₂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R1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Rf连接。