CN102809573A - 一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头，包括探头盒体、探头电路和探头前端，探头电路置于探头盒体内，所述微波探头与吸波涂料反射率现场测量仪器的主机之间仅传输数字信号或中频信号；其中所述探头电路用于产生受控制的微波信号，并对信号进行预处理，然后经微带-波导转换电路将信号通过探头前端向外发射，还用于经所述微带-波导转换电路接收被吸波涂料反射的微波信号，对其处理后得到两路包含有幅度相位信息的中频信号，并通过电缆传输给所述主机。采用本发明提出的微波探头，使探头自身具备了测量管理及串口通信的功能，由于与主机之间不再传递微波信号，减少了电缆对信号的衰减，同时也减小了测量误差。

Description

一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头

技术领域

本发明涉及一种微波探头，尤其涉及一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头。

背景技术

微波吸收涂料(简称吸波涂料)主要用于涂敷在某些设备表面，用于吸收照射到物体表面的微波(电磁波)的能量，从而减小物体表面对电磁波的反射。

吸波涂料吸收电磁波的能力通过吸波涂料的反射率来衡量，可以在实验室中通过测量一面涂敷有吸波涂料的金属平板试验样件的手段来评估吸波涂料的反射率。吸波涂料在涂敷到物体表面后，由于气候、老化等原因，其吸波性能会逐渐下降，但是对于已经涂敷在物体表面的吸波材料，由于无法拆除(拆除即破坏)，没有办法在实验室中进行测量，只能通过专门的吸波涂料反射率现场测试仪对其吸波性能进行检测评估。

微波探头是吸波涂料反射率现场测量仪器的一部分，主要用于对吸波涂料反射率性能进行现场测量的场合。图1示出了吸波涂料反射率现场测量仪器的工作方式，如图所示，在进行测量时，用微波探头的前端贴在涂敷有吸波涂料的物体表面上，吸波涂料反射率现场测量仪器产生的微波信号经微波探头向吸波涂料反射，部分电磁波能量被吸波涂料吸收，剩余的能量反射回来，再被微波探头接收，供进一步的处理及分析。

目前，进行上述测量的一种方法是采用矢量网络分析仪作为吸波涂料反射率现场测试仪的主机，配套一个喇叭天线或波导等器件作为微波探头，探头与测试仪器主机之间通过一根微波电缆连接。在这种方式下，微波探头只是作为一个微波信号传输、辐射、接收的通道。由于以下原因，这种方式不适合于实际的工程应用：

1、微波电缆对微波信号具有损耗效果，并且频率越高，损耗越大，因此测试仪主机与微波探头之间的连接电缆的长度受到限制，一般最长只能有3-5米，满足不了很多现场测量的需求(要求电缆长度10米以上)。

2、每一个微波探头只能工作在一个特定的频段，进行其他频段的测量时，需要更换微波探头。在更换不同频段的微波探头时，需要反复拆装微波电缆，微波电缆很容易由于磨损而导致性能下降，增大对微波信号的损耗，从而造成测量误差。

3、实际应用中，一般需要在物体的多个位置上进行测量，操作者需要拿着微波探头在几米到十几米的范围内移动。微波信号从测试仪主机发出，通过微波电缆传输到探头，由于微波信号的频率很高(波长很短)，微波电缆的弯曲，微波接头的松紧都会对微波信号的相位造成较大影响，会带来校准或测量的误差。

由于上述缺点，这种测量方法无法在实际的工程应用中使用。必须使用专门设计的新型吸波涂料反射率现场测试仪来对使用中的吸波涂料进行测量。

发明内容

为了克服上述问题，本发明采用一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的新型微波探头。在新型的微波探头中，集成了能够生成、发射、接收和处理微波信号的电路，微波电路与用于传输、辐射、接收微波信号的探头前端部分保持固定连接。在探头电路上还集成了单片机电路，使探头自身具备了测量管理及串口通信的功能。

本发明提出了一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头，包括探头盒体、探头电路和探头前端，所述探头电路置于所述探头盒体内，所述探头电路的信号输出/输入端与所述探头前端的信号输入/输出端连接起来，所述微波探头与吸波涂料反射率现场测量仪器的主机之间仅传输数字信号或中频信号；其中所述探头电路用于产生受控制的微波信号，并对信号进行预处理，然后经微带-波导转换电路将信号通过所述探头前端向外发射，还用于经所述微带-波导转换电路接收被吸波涂料反射的微波信号，对其处理后得到两路包含有幅度相位信息的中频信号，并通过电缆传输给所述吸波涂料反射率现场测量仪器的主机。

进一步，所述探头盒体包括主体、对外信号接头和顶盖，其中所述顶盖用于从顶部封闭所述探头盒体，所述对外信号接头用于外接信号电缆以实现所述微波探头和所述吸波涂料反射率现场测量仪器的主机之间的数字信号或中频信号的传输。

进一步，在探头盒体的顶盖和主体能够根据需要安装数码管、LED灯或按钮。

进一步，所述探头电路包括微波电路和单片机电路，微波电路能够产生、发射、接收、处理微波信号；单片机电路用于管理微波信号的生成、与测试仪器主机进行通信以及管理探头上的附属设备。

进一步，所述探头前端包括波导盖、安装座、导波腔体和法兰，其中所述波导盖和安装座嵌入到所述主体内部，并通过所述安装座和主体内部的安装孔将探头前端与探头盒体的主体紧固；所述导波腔体按照微波传输的要求设计形状、长度以及内部横截面尺寸。

进一步，所述导波腔体为标准波导管、开口喇叭或扁口喇叭的形状。

进一步，所述导波腔体采用波导管，其腔体内部横截面是长方形，长22.86mm，宽10.16mm，适用频率范围8.4GHz-12.4GHz，波导管的长度为50mm。

进一步，所述探头电路通过对外信号接头接收时钟信号，所述时钟信号经时钟分配器分为完全相同的两路时钟信号分别输入给具有相同结构、采用相同器件实现的第一锁相信号源和第二锁相信号源，单片机控制两个锁相信号源输出的微波信号频率保持恒定的频率差；所述第一锁相信号源产生的微波信号输入环形电桥的第一端口，并从所述环形电桥的第二端口和第四端口分别输出第一信号和第二信号，所述第一信号经微带-波导转换电路辐射给探头前端；第二锁相信号源产生的微波信号依次经第一放大器、二功分器后产生完全相同的两路信号，分别传输给第一混频器和第二混频器作为本振信号，第一混频器将所述本振信号和第二信号混频后输出参考中频信号；通过探头前端接收的被测吸波涂料反射的微波信号经所述微带-波导转换电路从环形电桥的第二端口进入送给环形电桥，并从环形电桥的第三端口输出第三信号，所述第二混频器将所述本振信号和第三信号经混频后输出回波中频信号，所述参考中频信号和所述回波中频信号经对外信号接头传输给测试仪主机进行进一步的处理。

进一步，所述第一锁相信号源产生的微波信号依次经第二放大器和滤波器的处理后再输入环形电桥的第一端口。

进一步，在所述法兰上加工多个定位孔，用于与配套的探头校准器件进行对准连接。

通过本发明提出的方案，本发明实现了以下效果：

1、由于将微波信号的相关电路集成到了微波探头上，微波探头与测试仪主机之间的连接电缆只需要传输中频信号和数字信号，电缆对中频信号及数字信号的衰减极小，因此电缆可以长达几十米。

2、由于反复拆装探头造成的磨损，对于传输中频及数字信号的影响远小于对于传输微波信号的影响，对测量造成的误差可以忽略不计。

3、由于中频信号的频率远低于微波信号(1000倍以上)，信号波长远大于微波信号的波长，由于电缆弯曲、接头松动等所造成的信号相位变化是使用微波电缆时的千分之一以下，可以忽略不计，从而能够减小测量误差。

附图说明

图1示出了吸波涂料反射率性能现场测试仪的工作方式。

图2示出了本发明提出的微波探头的立体图。

图3示出了本发明提出的微波探头的左视图。

图4示出了本发明提出的微波探头的拼装分解图。

图5(a)和(b)分别示出了两个不同视角的探头前端的立体图。

图6示出了探头电路安装位置示意图。

图7示出了探头电路的原理框图。

图8示出了作为一种实施例的探头电路的电路板正面的视图。

图9示出了作为一种实施例的探头电路的电路板背面的视图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提出了一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头。图2、图3分别示出了本发明提出的微波探头的立体图和左视图，其中微波探头001包括探头盒体011、探头电路012(图4)和探头前端013(图5)。探头盒体011用于放置探头电路012，并将探头电路012的信号输出/输入端与探头前端013的信号输入/输出端连接起来。具体地，探头盒体011包括探头盒体的主体101、探头盒体的对外信号接头102和探头盒体的顶盖103。探头盒体的顶盖103用于从顶部封闭探头盒体。探头盒体的对外信号接头102用于外接信号电缆，实现在微波探头001和测试仪器主机之间传输模拟信号及数字信号，可以采用各种合适的接头实现，例如，一种实例中可以使用了包含有3个模拟信号接头和多个数字信号线的模拟-数字混装接头。在探头盒体的顶盖103和探头盒体的主体101上可以根据需要安装数码管、LED灯、按钮等探头附件，图2中所示的探头盒体的顶盖103上就留出了一些安装孔用于安装探头附件。探头前端的导波腔体105、探头前端的法兰106为探头前端的外部部分。

图4进一步示出了微波探头各个部件的拼装分解图，各个部件按照从上往下的位置顺序拼装，从上往下依次是：探头盒体的顶盖103、探头前端的波导盖107、探头电路012、探头盒体的主体101、探头盒体的对外信号接头102、探头前端的安装座104、探头前端的导波腔体105以及探头前端的法兰106。其中，探头电路012包括微波电路和单片机电路，微波电路能够产生、发射、接收、处理微波信号，生成两路包含有幅度相位信息的中频信号并输出；单片机电路用于管理微波信号的生成、与测试仪器主机进行通信以及管理探头上的附属设备。

探头电路012能够产生受控制的微波信号，并对信号进行预处理，然后通过微带发射/接收端将信号传输给探头前端013，用于向外发射。同时探头电路上的微带发射/接收端能够接收从探头前端013传输回来的微波信号，并将信号传输到探头电路012进行处理，最后得到两路包含有幅度相位信息的中频信号，经微波探头与测试仪主机之间的连接电缆传输给吸波涂料反射率现场测量仪器的主机中进行进一步处理。

图5(a)和(b)分别示出了两个不同视角的探头前端的立体图。探头前端013用于将探头电路012生成的微波信号传输到探头前端的口面，然后向被测材料辐射；部分电磁波能量被吸波涂料吸收后剩余的能量反射回来，再被探头前端013所接收，向后传输给探头电路012。探头前端013包括波导盖107、安装座104、导波腔体105和法兰106。探头前端013安装在探头盒体011的下方，探头前端的波导盖107和探头前端的安装座104嵌入到探头盒体的主体101的内部，使用螺钉通过探头前端的安装座104上的安装孔和探头盒体的主体101内部的安装孔将探头前端与探头盒体的主体101紧固起来。探头前端的导波腔体105可以按照微波传输的需要设计成标准波导管、开口喇叭、扁口喇叭等各种形式。如果采用标准波导管的形式，导波腔体的内部横截面尺寸与标准微波波导尺寸相同，根据不同的工作频率选择对应的横截面腔体尺寸；波导管的长度可根据使用需要选择合适的长度。图5所给出的设计中就采用了波导管的形式来实现导波腔体，其腔体内部横截面是一个长方形，长22.86mm，宽10.16mm，适用频率范围8.4GHz-12.4GHz，波导管的长度为50mm。探头前端的法兰106在探头前端的导波腔体105的尽头处构成一个平面，一方面用于增大探头前端与被测吸波涂料的接触面积，增强稳定性；另一方面在探头前端的法兰106上加工了多个定位孔，用于与配套的探头校准器件进行对准连接。

图6示出了探头电路安装位置示意图，其示出了在探头盒体011的内部，探头电路012、探头盒体的对外信号接头102、探头前端的波导盖107、探头前端的安装座104、探头前端的导波腔体105、探头前端的法兰106等几个部件的组装方式。探头电路012安装固定在探头盒体101的主体内部，其一端嵌入在探头前端的波导盖107和探头前端的安装座104之间。探头前端的波导盖107正好压在探头电路012上的微带-波导转换218所处位置的背面，微带-波导转换218的中心正对探头前端的安装座104的中心。探头电路012对外连接的信号线连接到探头盒体的对外信号接头102上，实现与外部的信号传输。

图7是微波探头上集成的探头电路012的一种实现原理框图。测试仪主机内部产生的时钟信号通过探头盒体的对外信号接头102传送到探头电路012上作为探头电路的时钟信号301，时钟信号301经过时钟分配器201分为完全相同的两路时钟信号，分别输入给锁相环芯片A 202和锁相环芯片B209。

锁相信号源021和022是两个具有相同结构，采用相同器件实现的锁相信号源，用于产生测试所需的微波信号。锁相信号源021由锁相环芯片A 202、环路低通滤波器A 203、压控振荡器A 204和定向耦合器A 205构成。锁相信号源022由锁相环芯片B 209、环路低通滤波器B 210、压控振荡器B 211和定向耦合器B 212构成。

单片机219通过控制信号线401对锁相环芯片A 202和锁相环芯片B 209写入不同的工作参数，使锁相信号源021和锁相信号源022最终输出的微波信号频率始终保持一个恒定的频率差，例如1MHz。

根据工作在不同频率下的探头电路功率设计的需要，锁相信号源021产生的微波信号可以直接使用，也可以进一步的进行放大、滤波等处理。

如图7中所给出的原理框图所示，锁相信号源021产生的微波信号经过放大器A 206进行放大和滤波器207的滤波处理，然后通过线路302从环形电桥208的208a端输入环形电桥，经过环形电桥的作用，在208b和208d端分别输出信号303和304。信号303馈送到微带-波导转换218处，通过微带-波导转换辐射给探头前端013。微波信号在探头前端的导波腔体105中向前传播，并在导波腔体的尽头处向被测的吸波涂料辐射。

锁相信号源022产生的微波信号经过放大器B213放大，放大后的信号通过二功分器214分为完全相同的两路，分别传输给混频器A 215和混频器B 216，做为混频器的本振信号。

从环形电桥208的208d端输出的信号304传输到混频器A 215的射频输入端。输入混频器A 215中的本振信号和射频信号经过混频后，输出参考中频信号306，这个信号通过探头盒体的对外信号接头102输出，传输给测试仪主机进行进一步的处理。

通过探头前端013向被测的吸波涂料辐射的微波信号中的部分能量被吸波涂料吸收，剩余的能量反射回来，朝着与来波相反的方向，再次经由探头前端的导波腔体105，传送回微带-波导转换218处，微带-波导转换将这部分能量接收，回馈送给环形电桥218。回波信号从环形电桥218的208b端进入，衰减约3dB后分别从208a和208c端输出。从208a端输出的部分回波信号回到了发射支路，此后不再用到；从208c端输出的部分回波信号305向后传输到混频器B 216的射频输入端。输入混频器B 216中的本振信号和射频信号经过混频后，输出回波中频信号307，这个信号通过探头盒体的对外信号接头102输出，传输给测试仪主机进行进一步的处理。

由于测试仪主机和微波探头之间的连接电缆可能达到十几米到几十米的长度，因此对测试仪主机与微波探头的控制通信信号采用了差分信号的形式；如果连接电缆的距离较短，在保证控制及通信正常的前提下也可以不采用差分信号。单端信号转差分信号芯片220的作用就是将输入/输出的单端控制通信信号转换为差分信号。微处理器219输出/输入的控制通信信号通过单端信号转差分信号芯片220变为差分信号，再通过探头盒体的对外信号接头102与测试仪主机相连。

图8、图9示出了按照图7所示的原理框图所制作的一个电路板实例，其中图8为电路板正面的视图，图9为电路板背面的视图。根据功率设计的需要，在图8和9的电路板实例上没有使用到图7所示原理框图中的放大器A206、滤波器207和放大器B213。其他的组成部分及信号流程与图7中所给出的原理框图完全相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于吸波涂料反射率性能现场测量的微波探头，包括探头盒体(011)、探头电路(012)和探头前端(013)，所述探头电路(012)置于所述探头盒体(011)内，所述探头电路(012)的信号输出/输入端与所述探头前端(013)的信号输入/输出端连接起来，所述微波探头与吸波涂料反射率现场测量仪器的主机之间仅传输数字信号或中频信号；其中

所述探头电路(012)用于产生受控制的微波信号，并对信号进行预处理，然后经微带-波导转换电路(218)将信号通过所述探头前端(013)向外发射，所述探头电路(012)还用于经所述微带-波导转换电路(218)接收被吸波涂料反射的微波信号，对其处理后得到两路包含有幅度相位信息的中频信号，并通过电缆传输给所述吸波涂料反射率现场测量仪器的主机。

2.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述探头盒体(011)包括主体(101)、对外信号接头(102)和顶盖(103)，其中所述顶盖(103)用于从顶部封闭所述探头盒体(011)，所述对外信号接头(102)用于外接信号电缆以实现所述微波探头和所述吸波涂料反射率现场测量仪器的主机之间的数字信号或中频信号的传输。

3.根据权利要求2所述的微波探头，其特征在于，在探头盒体的顶盖(103)和主体(101)能够根据需要安装数码管、LED灯或按钮。

4.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述探头电路(012)包括微波电路和单片机电路，微波电路能够产生、发射、接收、处理微波信号；单片机电路用于管理微波信号的生成、与测试仪器主机进行通信以及管理探头上的附属设备。

5.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述探头前端(013)包括波导盖(107)、安装座(104)、导波腔体(105)和法兰(106)，其中所述波导盖(107)和安装座(104)嵌入到所述主体(101)内部，并通过所述安装座(104)和主体(101)内部的安装孔将探头前端(013)与所述主体(101)紧固；所述导波腔体(105)按照微波传输的要求设计形状、长度以及内部横截面尺寸。

6.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述导波腔体(105)为标准波导管、开口喇叭或扁口喇叭的形状。

7.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述导波腔体(105)采用波导管，其腔体内部横截面是长方形，长22.86mm，宽10.16mm，适用频率范围8.4GHz-12.4GHz，波导管的长度为50mm。

8.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述探头电路(012)通过对外信号接头(102)接收时钟信号，所述时钟信号经时钟分配器(201)分为完全相同的两路时钟信号分别输入给具有相同结构、采用相同器件实现的第一锁相信号源(021)和第二锁相信号源(022)，单片机(219)控制两个锁相信号源输出的微波信号频率保持恒定的频率差；

所述第一锁相信号源(021)产生的微波信号输入环形电桥(208)的第一端口，并从所述环形电桥(208)的第二端口和第四端口分别输出第一信号(303)和第二信号(304)，所述第一信号(303)经微带-波导转换电路(218)辐射给探头前端(013)；

第二锁相信号源(022)产生的微波信号依次经第一放大器(213)、二功分器(214)后产生完全相同的两路信号，分别传输给第一混频器(215)和第二混频器(216)作为本振信号，第一混频器(215)将所述本振信号和第二信号混频后输出参考中频信号；

通过探头前端(013)接收的被测吸波涂料反射的微波信号经所述微带-波导转换电路(218)从环形电桥的第二端口进入送给环形电桥(218)，并从环形电桥的第三端口输出第三信号，所述第二混频器(216)将所述本振信号和第三信号经混频后输出回波中频信号(307)，所述参考中频信号和所述回波中频信号经对外信号接头(102)传输给测试仪主机进行进一步的处理。

9.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，所述第一锁相信号源(021)产生的微波信号依次经第二放大器(206)和滤波器(207)的处理后再输入环形电桥(208)的第一端口。

10.根据权利要求1所述的微波探头，其特征在于，在所述法兰(106)上加工多个定位孔，用于与配套的探头校准器件进行对准连接。

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