W波段功率探头自动定标设计与实现

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Design and Implementation of Automatic Calibration for W -band Power ProbeZHU Jia -，WANG Zi-cheng ，WANG Shuang(1.Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese A-cademy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract：At present，the calibration for microwave power instrument was manual calibration，and the operation wascomplex.So，designs a power probe in W -band and the system of automaticaly calibrate for it in the paper.Thebase of principle was the electro-microwave equivalent which was to heat the microwave absorber in front of mi-crowave power sensor by electricity which can replace the heat generated by microwave，then，we can calculate thepower of microwave by measuring the power generated by electricity.This kind of method possesses high precision。

The whole process of calibration was automatic，and operated easily，the minimal resolution up to 38.2 IxW.The vali-date for the probe possesses h Jgh precision，its resolution up to 3 mWKey words：equivalent replacement by electricity power；automatically；operated easily；high precision随着人类在太赫兹领域开发和利用的不断深入 .对于太赫兹波的功率测量仪器有了更加紧迫的要求。-种单独热敏式 W波段(太赫兹波段)功率探头-]的设计.需要-个与之相对应的定标设备匹配才能完成定标。电功率等效代替微波功率对微波功率探头进行定标是-种较为实用的定标方式[2-31。其基本原理是通过电加热微波功率探头前端的微波吸收体等效代替被吸收体吸收微波所产生的热量，通过测量电加热的功率值。等效计算电磁波功率值。

本文设计的自动功率定标系统对此前设计的- 种单独热敏式 W 波段功率探头进行定标。该定标系统还包括上位机对数据的处理部分。系统能够 自收稿 日期 ：2013-03-O1：修订 日期 ：2013-03-21基金项目：国家自然科学基金资助项 目(61172016)作者简介：祝佳(1987-)，男，在读硕士研究生，研究方向为微波功率测量 ；王 自成(1966-)，男 ，博士，研究员，研究方向为物理电子学、真空电子学；王爽(1988-)，女 ，工程师，研究方向为物理电子学。

田 Automation＆Instrumentaion 2013(动对功率探头定标，定标操作简单，并且精度高。

1 系统硬件设计该系统是基于双串口单片机 STC12C5A60S2为CPU，自动定标系统的基本原理图如图 1所示。

电源钨丝 H 馨嚣H H H待定标的W波段功率探头定标电路定标测量，模式控制图 1 定标 系统的基本原理图Fig.1 Base schematic of calibration system其中钨丝、待定标的W 波段功率探头电路、定标测量/模式控制三框图属于-个整体。为 W波段功率探头部分。

单片机通过数控电压源自动调节加载在钨丝[31上的电压值。信号经过处理后，单片机通过 16位AD转换器。测量钨丝两端的电压和流经钨丝[31的电流，并计算得到加载在钨丝上的功率。同时发送该瞬时电功率值于上位机，通过Labview实时显示。上位机则把每次定标得到数据的平均值发送给定标电路.定标电路再把平均功率值最终发送给功率探头电路存储.同时通过 W波段功率探头电路上的温度传感器测量并存储温度差值(由电加热源产生)，与上述平均功率值形成--对应关系，完成-个值的定标。如此循环，直到整个定标结束。整个过程无需操作。

W波段功率探头原理图如图2所示：钨丝部分为探头等效微波热量的电加热源。探头部分还包括波导，前端的微波吸收体 ，热路支撑体及贴在上面的传感器和外盒等。

钨丝(3) 温度传感器(4) 作用于传感器渡导(1)微坡吸收体负载(2) 热路支撵体 (5) 外 盒(6)图 2 功率探头部分原理图Fig.2 Schematic of power probe该功率探头的基本原理是：W 波段微波经过波导传输以后。能量被波导前端的微波吸收体负载吸收转换成热量，同时此热量经过支撑体传导 ，产生自动化与仪表 2013(7)- 个温度梯度，通过测量支撑体两处温度差获取功率值。由于W波段微波极易被吸收，所以微波能量几乎被完全转换为热量。

此定标是用电功率等效代替微波功率，准确测量等效电功率，就可准确测量微波的功率。

1.1 电流电压采集转换电路主要包括采集加载在吸收体上钨丝的电流和电压 。AD转换器前置电路。通过单片机实现-个数控电压源 ，控制加载在钨丝上的电压值 ，该数控电压源能提供 10 V，2 A，步进为0.04 V的电压，电压作用在定值电阻和钨丝上，通过采集两端电压 。

1.2 AD模数转换电路由于系统的时间常数比较大.电加热的热量传导比较缓慢，而达到热平衡后再测量温度差过于缓慢.因此对AD转换器的转换速度要求不高。根据功率探头电路能够达到的精度 。选择双通道的 l6位模数转换器 TLC1865.其各部分控制引脚与单片机STC12C5A60S2连接如图 3所示.ADR445电压芯片为 LTC1865提供 5V高精度的基准电压.相应的控制 接 口电路 CONV，SCK，SDO，SDI与 单 片 机 的P0.4～P0.7连接，根据 LTC1865时序驱动芯片正常运行，采集电功率值。

5VA13l00k画 二 I LTC1865TRIM GNDVout NCNC Vin口 TPC150.1 F-12VT "1o1".117F- - - GNDA图 3 AD转换器采集原理图PO.4PO.5P0.6P0.7CPUFig.3 Schematic of acquisition by ADC1.3 数据处理部分及相互控制定标电路的单片机处理器是整个定标电路的核心，系统还包括上位机、对功率探头测量电路。必须根据三者通信协议完成定标 ：定标电路与上位机通信，传送采集的实时功率值 ，上位机显示实时瞬时功率，并最后把该组瞬时功率值的平均值发送给田定标电路单片机处理器，定标电路单片机再把数据发送到功率探头部分存储，同时，功率探头电路单片机把该组最终温度值存储并发送给上位机显示。

系统的相互控制过程是：功率测量部分发送开启命令 ，定标电路开启加热，定标电路配置加载在钨丝上的电加热电压 ，则测量电路开始测量，功率探头测量结束后发命令于定标电路单片机.停止加热，完成-组定标。等待约 5 rain冷却后测量电路再次发出开启命令.功率探头电路重新开始测量 .如此循环，直到定标结束。

2 系统软件设计系统主要是通过 C语言编程l5，包括 ：AD采集部分 ，数据缓存拈 FIFO，CRC校验和主程序的通信部分。

AD采集根据 AD芯片的时序进行编写。FIFO作为数据发送和接收的重要缓存结构。CRC校验确保数据无差错地传输。主程序控制各个拈按协议正确运行。软件设计流程图和串口中断子程序流程图如图 4、5所示。

开始等待l数控电压加载 二工二I 功率测量lO1次取平均值 二[1 cRC校验位及l FIF0缓存数据 二[1串口中断发送I数据到上位机数据FIFO缓存完成串口1发送数据上位机I二二二[二二二串口l发送数据完毕 l---丢-J≤土!响应串口2中fFIFO I缓存及数据处理 I图 4 软件设计流程 图 图 5 串口中断子程序流程图Fig.4 Flow chart of Fig.5 Flow chart of seriessoftware design3 自动定标系统的检测实验3.1 数控电压源实验部分数控电压源的硬件原理图如图6所示。

R2 5KP2.7 25 9 A1 108 ×- N1 N2 8P2.6 24 1O A2 Vee7 -1，v T、GNDA 3 IN- VCC----，5 3 1 3 GND 6 -12V 4 IN OUT 6CPU22 12 A4 NC 5 、， VCC- NC 5 、， 2l 13 A5 COMP d 7、P2.2 20 14 A6 Vref- 3 R20 5k nP07 nP2.1 l9 l5 A7 Vref 2 ：： ，- -18 16 1 P2.O A8 VCC 21 5k5VD- C28-0.1LLFDACO8O8图 6 数控电压源原理图Fig.6 Schematic of digital voltage source设置STC12C5A60S2单片机指定 P2端 口输出的电平，用 DA转换芯片，产生-个 0到 5 V的数控电压 .通过-个运放和大电流转换芯片，用示波器检测电压输出，能够提供最大电压为 10 V.步进为O.04V左右，电流驱动能力能达 2 A的稳定电压源。

囝3.2 AD转换和上位机 Labview显示根据协议，连接定标环境后进行定标实验。通过设定相应的电压量加热钨丝，同时AD采集钨丝两端电压和通过其的电流，经过转换及单片机处理后。

发送给上位机 Labview显示[61，显示其中-组结果如图7所示，其平均值约为0.715 W。 (下转第25页)