高频和微波功率基准及其应用研究----微量热计基本理论研究（一）

上述分析，PgL应为

式(2-10)是量热计测量高频和微波功率的基本公式，只需再测得隔热传输线的传输效率，就可以得到量热计吸收的总功率。

量热式功率计的优点是测量误差小、可过载能力强、动态范围大(可达30～40dB)、阻抗匹配好。

量热计的缺点是结构复杂，时间常数大(测量时间长)，对环境温度及配套计量设备稳定性要求高。量热计更适合用于频段较高的厘米波及毫米波波段，因为频段越高，相应负载的热容量也越小。

为缩短量热计的时间常数，美国NBS率先研制了一种自动反馈式量热计，通过自动反馈系统控制加在参考量热体上的直流功率来保持工作和参考量热体间的温差恒定。图2-4是一种自动反馈式量热计的原理图，通过自动反馈系统控制加在工作量热体上的辅助加热直流功率，保持工作和参考量热体间的温差恒定。式(2-3)在添加了直流功率项后也使用于对自动反馈式量热计的热分析，可以证明在保持工作和参考量热体间的温差恒定的条件下，直流功率可以作为被测功率的量度。

如1.2.2所述，一般将分别通过测量温度变化来测量功率的方式称为升温方式，保持温度或温差不变的方式为等温方式。

2.3微量热计的经典理论

微量热计是用测辐射热器座作为量热体的量热计，微量热计的工作原理实际上是测辐射热器功率计和量热计的组合。它既利用量热计高准确度的特点，又利用热敏电阻式功率计响应时间快，测量方便等优点，用热敏电阻功率座作为量热计负载，借助于量热计技术，精确测量热敏电阻功率座的有效效率。

MavPherson和Kerns设计的微量热计是所有微量热计的基础，随后由Engen做了改进，之后由很多国家的标准实验室作了进一步的改进。最初的微量热计依然采用双负载结构，也有些国家研制了单负载微量热计标准，其中采用了自动反馈技术和精密恒温技术，可以大大缩短时间常数和降低对环境温度的要求。

图2-5给出了这种微量热计的一般结构。负载是一个测辐射热器座，测量的目的是确定座的有效效率。在测量结束后，测辐射热器座被移出量热计，用它作为工作标准可以进行功率测量和功率量值的传递。使用微量热计测量波导测辐射热器座有效效率的不确定度，在40GHz内，能够做到小于0.5%，直到100GHz时，仍小于1%.微量热计技术也用来校准同轴座，由于同轴座的结构复杂，测量不确定度略有增加。

微量热计区别于量热计的主要部分就是测辐射热器座。座内的测辐射热器元件吸收功率导致的温升引起测辐射热元件电阻的变化，这一变化可以被电桥检测到。

测辐射热元件主要有三种类型：镇流电阻、热敏电阻和薄膜热变电阻。

镇流电阻由一根细金属导线和一个具有正温度系数的电阻所组成，虽然灵敏度很高，但频率特性差，而且能够承受的功率很小，易烧毁;薄膜热变电阻使用薄金属片作为温度敏感电阻器，能够承受的功率较大，但灵敏度较低，在一些标准实验室中用于高频电压标准;用于测辐射热器座的热敏电阻由半导体材料的小珠组成，它能承受一定的功率，而且其阻抗特性具有较大的负温度系数，所以目前用于微量热计的测辐射热器座均是热敏电阻座。

由于热敏电阻座结构的原因，热敏电阻吸收的高频和微波功率不是损耗在热敏电阻座中高频和微波功率的全部，吸收的比率可以用热敏电阻座效率来描述。

图2-5中自平衡电桥的作用是提供一个自动控制的直流功率P DC给热敏电阻元件以保持它的阻值恒定，从而保证桥的平衡。热敏电阻上的直流功率为

式中V是热敏电阻两端的直流电压，而R是电桥中固定电阻的阻值。

当高频和微波功率加在热敏电阻上时，直流功率会自动减少，减少的直流功率被称为直流替代功率。一般情况下直流替代功率会小于热敏电阻座吸收的高频和微波功率。产生差异的原因之一是一部分高频和微波功率在座上，而不是在热敏电阻上被吸收了。第二个原因是由于高频、微波信号与直流信号在热敏电阻中分布不同导致的。信号分布的不同导致在热敏电阻上的温度分布可能存在差异，使等量的高频、微波与直流功率不能使直流阻抗产生相等的变化，这种差异不全部是热敏电阻自身的特性，部分依赖于座中的场分布，可以用替代效率表示。

一般用热敏电阻座的有效效率表示替代效率和效率的综合效果

有效效率因为代表了替代效率和效率的综合效果，是描述热敏电阻座特性最常用的量。

微量热计的基本原理是以高频和微波功率可以通过量热测量和测辐射热这两种方法进行测量为基础的。高频和微波功率在热敏电阻座中产生的热量分为两部分，一部分在热敏电阻中，另一部分在热敏电阻座的壁中，测辐射热的方法只测量在热敏电阻元件上吸收的高频和微波功率，而量热测量包括