CN105068124B - 一种基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器，包括：充电回路、发射回路、接收回路以及电荷检测电路。本发明的雪崩效应电磁传感器，通过将发射天线集成至发射回路、将接收天线集成至接收回路，能够简化超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构；通过在充电回路中设置电荷检测电路，能够避免雪崩效应电磁传感器对高分辨力波形采集设备的依赖。根据本发明的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器能够降低对超宽带窄脉冲电磁探测系统的复杂程度和成本，避免对高分辨力波形采集设备的依赖，有利微型化和推广应用。

Description

一种基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器。

背景技术

具有雪崩效应的晶体管是产生纳秒级、亚纳秒级超宽带窄脉冲信号的常用器件，是构成超宽带窄脉冲产生电路的核心器件。这类超宽带窄脉冲产生电路一般包含充电回路、放电回路和触发回路，其中充电回路主要由电源、充电电阻、充放电电容等构成，放电回路由晶体管的发射极和集电极、充放电电容等构成，触发回路则由晶体管的发射极和基极、触发信号输入端口等构成。

由于超宽带窄脉冲信号具备有丰富的信号频谱，具有较好的穿透性及距离分辨力，常用于探测物体及其内部特性，利用超宽带窄脉冲信号的电磁探测系统已在物体电磁参数测量、建筑探测、安检等方面得到了应用。超宽带窄脉冲电磁探测系统一般由超宽带窄脉冲产生电路、发射天线、接收天线、波形采集设备等组成，其中超宽带窄脉冲产生电路一般利用屏蔽外壳将其与外界物体进行电磁隔离，超宽带窄脉冲信号通过微波电缆连接至发射天线，并在发射天线周围空间中产生电磁场，电磁场再与周围空间中物体发生电磁耦合作用；另一方面，超宽带窄脉冲电磁探测系统通过接收天线及波形采集器测量与物体耦合后脉冲信号的波形，达到探测周围空间中物体及其特性的目的。

上述超宽带窄脉冲电磁探测系统得到了广泛应用，但其构成相对复杂，要求独立的天线与连接电缆，并要求使用小于超宽带窄脉冲信号宽度的高分辨力波形采集设备，不利于小型化、且成本相对较高。因此，上述探测系统不利于超宽带窄脉冲电磁探测系统的推广应用。同时，现有电磁探测应用仅利用雪崩效应产生超宽带窄脉冲电磁信号，未见利用雪崩效应进行电磁信号探测的报道。

因此，现有技术中需要一种能够解决由于超宽带窄脉冲电磁探测系统要求独立的天线与连接电缆、并要求使用小于超宽带窄脉冲信号宽度的高分辨力波形采集设备而导致超宽带窄脉冲电磁探测系统不利于小型化、且成本相对较高的问题的技术方案。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器，具备超宽带窄脉冲产生电路、发射天线与接收天线的功能，在雪崩效应截止过程中能够直接引入被测物体的电磁耦合影响，并测量与电磁耦合影响程度关联的放电电荷量，进而测量雪崩效应电磁传感器与被测物体耦合作用的强弱。根据本发明的雪崩效应电磁传感器避免了对高分辨力波形采集设备的依赖，大幅降低超宽带窄脉冲电磁探测系统的成本，有利微型化和推广应用。

根据本发明的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器，包括：充电回路、发射回路、接收回路以及电荷检测电路，其中，

充电回路为由电源、充电电阻、充放电电容以及电源地组成的电路；

接收回路为由触发信号输入端口、雪崩三极管的基极以及雪崩三极管的发射极组成的电路，用于在触发信号的激励下产生超宽带窄脉冲信号；并作为雪崩效应电磁传感器的接收天线，接收耦合反馈的脉冲信号；

发射回路为由雪崩三极管的集电极、充放电电容以及雪崩三极管的发射极组成的电路，作为雪崩效应电磁传感器的发射天线发射超宽带窄脉冲信号；

电荷检测电路设置于充电回路中，用于测量雪崩效应电磁传感器的放电电荷量，并作为雪崩效应电磁传感器的输出信号端口。

优选地，电荷检测电路包括输出电阻，通过测量输出电阻两端的电压确定雪崩效应电磁传感器的放电电荷量。

优选地，发射回路的周长L_t以及接收回路的周长L_r满足公式1：

L_t≈L_r<0.15/f_max 公式1

式中，f_max为雪崩效应电磁传感器信号的最高有效频率，单位为GHz；L_t以及L_r的单位为m。

优选地，发射回路与接收回路的几何中心间的间距D满足公式2：

公式2

式中，L_t为发射回路的周长，d为雪崩效应电磁传感器的探测深度指标，ε为贴近雪崩效应电磁传感器的待测物体的相对介电常数。

优选地，输出电阻设置于发射回路和接收回路的外部。

优选地，输出电阻两端的电压为平均电压U_平均，雪崩效应电磁传感器单次的放电电荷量Q_放电为：

式中，R_L为输出电阻的电阻值；τ为产生超宽带窄脉冲信号的重复周期。

优选地，输出电阻两端的电压为跳变电压U_跳变，雪崩效应电磁传感器单次的放电电荷量Q_放电为：

式中，R_L为输出电阻的电阻值；R_C为充电电阻的电阻值。

优选地，输出电阻同时设置于发射回路上。

优选地，发射回路包围接收回路，或者接收回路包围发射回路，或者接收回路与发射回路不存在包围关系；雪崩三极管的连接级数为一级、两级或者多级。

优选地，发射回路的形状为椭圆形或者多边形；和/或，接收回路的形状为椭圆形或者多边形。

本发明实施例的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器，包括：充电回路、发射回路、接收回路以及电荷检测电路，接收回路用于在触发信号的激励下产生超宽带窄脉冲信号，并作为雪崩效应电磁传感器的接收天线；发射回路作为所述雪崩效应电磁传感器的发射天线发射所述超宽带窄脉冲信号；电荷检测电路设置于充电回路中，用于测量雪崩效应电磁传感器的放电电荷量，并作为雪崩效应电磁传感器的输出信号端口。本发明的雪崩效应电磁传感器，通过将发射天线集成至发射回路、将接收天线集成至接收回路，能够简化超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构；通过在充电回路中设置电荷检测电路，能够避免雪崩效应电磁传感器对高分辨力波形采集设备的依赖。根据本发明的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器能够降低对超宽带窄脉冲电磁探测系统的复杂程度和成本，避免对高分辨力波形采集设备的依赖，有利微型化和推广应用。

附图说明

图1为本发明的雪崩三极管的连接级数为一级的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器的原理图；

图2为本发明的雪崩三极管的连接级数为两级的基于天线反馈的雪崩效应传感器的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

现有技术中，超宽带窄脉冲产生电路一般利用屏蔽外壳将其与外界物体进行电磁隔离，超宽带窄脉冲信号通过微波电缆连接至发射天线；超宽带窄脉冲电磁探测系统通过接收天线及波形采集器测量与物体耦合后脉冲信号的波形。这种超宽带窄脉冲电磁探测系统构成相对复杂，要求独立的天线与连接电缆，并要求使用小于超宽带窄脉冲信号宽度的高分辨力波形采集设备，不利于小型化、且成本相对较高。因此，上述探测系统不利于超宽带窄脉冲电磁探测系统的推广应用。同时，现有电磁探测应用仅利用雪崩效应产生超宽带窄脉冲电磁信号，未见利用雪崩效应进行电磁信号探测的报道。

本发明通过简化超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构并提供测量被测物体电磁耦合影响的电路，避免了超宽带窄脉冲电磁探测系统对高分辨力波形采集设备的依赖，大幅降低超宽带窄脉冲电磁探测系统的复杂程度和成本，有利微型化和推广应用。

图1示出了根据本发明的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器的原理。下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。本发明中的雪崩三极管是指具有雪崩效应的三极管。

根据本发明的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器，包括：充电回路、发射回路6、接收回路11以及电荷检测电路。

充电回路为由电源3、充电电阻4、充放电电容5以及电源地9组成的电路。

接收回路11为由触发信号输入端口1、雪崩三极管2的基极以及雪崩三极管2的发射极组成的电路。触发信号输入端口1设置于触发电阻10的两端，当触发信号输入端口1输入触发信号后，接收回路11能够在触发信号的激励下产生超宽带窄脉冲信号，并经发射回路6进行发送。传统的超宽带窄脉冲电磁探测系统中，耦合反馈的信号需要通过接收天线及波形采集器测量与物体耦合后脉冲信号的波形，使得超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构复杂。采用本申请的雪崩效应电磁传感器的超宽带窄脉冲电磁探测系统，将接收回路11作为雪崩效应电磁传感器的接收天线，接收耦合反馈的脉冲信号，从而避免采用接收天线接收耦合反馈的脉冲信号，简化超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构，降低超宽带窄脉冲电磁探测系统的成本。接收回路11的形状可以根据实际情况进行设计，根据本发明的优选实施例，接收回路11的形状可以为椭圆形或者多边形，如圆环形、三角形或四边形等；进一步优选地，接收回路11的形状为长方形；当然，本领域技术人员应该了解，接收回路并不限于上述形状，本发明中对接收回路11的形状不作具体限定。

发射回路6为由雪崩三极管2的集电极、充放电电容5以及雪崩三极管2的发射极组成的电路，作为雪崩效应电磁传感器的发射天线发射超宽带窄脉冲信号。传统的超宽带窄脉冲电磁探测系统中，超宽带窄脉冲产生电路经微波电缆连接至发射天线，超宽带窄脉冲产生电路产生的超宽带窄脉冲信号由发射天线进行发射，使得超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构复杂。采用本申请的雪崩效应电磁传感器的超宽带窄脉冲电磁探测系统，无需将产生超宽带窄脉冲信号的电路经微波电缆连接至发射天线，发射回路6可以作为雪崩效应电磁传感器的发射天线直接发射超宽带窄脉冲信号，从而避免采用发射天线发射超宽带窄脉冲信号，简化超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构，降低超宽带窄脉冲电磁探测系统的成本。发射回路6的形状可以根据实际情况进行设计，根据本发明的优选实施例，发射回路6的形状可以为椭圆形或者多边形，如圆环形、三角形或四边形等；进一步优选地，发射回路6的形状为正方形；当然，本领域技术人员应该了解，发射回路6并不限于上述形状，本发明中对发射回路6的形状不作具体限定。优选地，发射回路6的周长L_t以及接收回路11的周长L_r满足公式1：

L_t≈L_r<0.15/f_max 公式1

式中，f_max为雪崩效应电磁传感器信号的最高有效频率，单位为GHz；L_t以及L_r的单位为m。

根据本发明的雪崩效应电磁传感器的优选实施例，发射回路6与接收回路11的相对位置关系可以为：发射回路6包围接收回路11，或者接收回路11包围发射回路6，或者接收回路11与发射回路6不存在包围关系。优选地，发射回路6与接收回路11的几何中心间的间距D满足公式2：

公式2

式中，L_t为发射回路的周长，d为雪崩效应电磁传感器的探测深度指标，ε为贴近雪崩效应电磁传感器的待测物体的相对介电常数。

电荷检测电路设置于充电回路中，用于测量雪崩效应电磁传感器的放电电荷量，并作为雪崩效应电磁传感器的输出信号端口8。本发明通过电荷检测电路测量雪崩效应电磁传感器的放电电荷量，进而测量传感器与周围物体的耦合作用强弱，从而能够避免雪崩效应电磁传感器对高分辨力波形采集设备的依赖，降低超宽带窄脉冲电磁探测系统的成本。根据本发明的优选实施例，电荷检测电路包括输出电阻7，通过测量输出电阻7两端的电压确定雪崩效应电磁传感器的放电电荷量。

根据本发明的一个实施例，输出电阻7设置于发射回路6和接收回路11的外部。优选地，输出电阻7两端的电压为平均电压U_平均，雪崩效应电磁传感器单次的放电电荷量Q_放电为：

式中，R_L为输出电阻的电阻值；τ为产生超宽带窄脉冲信号的重复周期。

优选地，输出电阻7两端的电压为跳变电压U_跳变，雪崩效应电磁传感器单次的放电电荷量Q_放电为：

式中，R_L为输出电阻的电阻值；R_C为充电电阻的电阻值。

根据本发明的再一个实施例，输出电阻同时设置于发射回路6上。

本发明中，雪崩三极管的连接级数可以为一级、两级或者多级，图1示出了雪崩三极管的连接级数为一级的基于天线反馈的雪崩效应传感器；图2示出了雪崩三极管的连接级数为两级的基于天线反馈的雪崩效应传感器。

与现有技术相比，本发明的雪崩效应电磁传感器通过将发射天线集成至发射回路、将接收天线集成至接收回路，能够简化超宽带窄脉冲电磁探测系统的结构；通过在充电回路中设置电荷检测电路，能够避免雪崩效应电磁传感器对高分辨力波形采集设备的依赖。根据本发明的基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器能够降低对超宽带窄脉冲电磁探测系统的复杂程度和成本，避免对高分辨力波形采集设备的依赖，有利微型化和推广应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于耦合反馈的雪崩效应电磁传感器，其特征在于包括：充电回路、发射回路、接收回路以及电荷检测电路，其中，

所述充电回路为由电源、充电电阻、充放电电容以及电源地组成的电路；

所述接收回路为由触发信号输入端口、雪崩三极管的基极以及雪崩三极管的发射极组成的电路，用于在触发信号的激励下产生超宽带窄脉冲信号；并作为所述雪崩效应电磁传感器的接收天线，接收耦合反馈的脉冲信号；

所述发射回路为由雪崩三极管的集电极、充放电电容以及雪崩三极管的发射极组成的电路，作为所述雪崩效应电磁传感器的发射天线发射所述超宽带窄脉冲信号；

所述电荷检测电路设置于所述充电回路中，用于测量所述雪崩效应电磁传感器的放电电荷量，并作为所述雪崩效应电磁传感器的输出信号端口；

其中，所述发射回路与所述接收回路的几何中心间的间距D满足公式2：

式中，L_t为发射回路的周长，d为雪崩效应电磁传感器的探测深度指标，ε为贴近雪崩效应电磁传感器的待测物体的相对介电常数。

2.如权利要求1所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述电荷检测电路包括输出电阻，通过测量所述输出电阻两端的电压确定所述雪崩效应电磁传感器的放电电荷量。

3.如权利要求2所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述发射回路的周长L_t以及所述接收回路的周长L_r满足公式1：

L_t≈L_r<0.15/f_max 公式1

式中，f_max为雪崩效应电磁传感器信号的最高有效频率，单位为GHz；L_t以及L_r的单位为m。

4.如权利要求2所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述输出电阻设置于所述发射回路和所述接收回路的外部。

5.如权利要求2所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述输出电阻两端的电压为平均电压U_平均，所述雪崩效应电磁传感器单次的放电电荷量Q_放电为：

式中，R_L为输出电阻的电阻值；τ为产生超宽带窄脉冲信号的重复周期。

6.如权利要求2所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述输出电阻两端的电压为跳变电压U_跳变，所述雪崩效应电磁传感器单次的放电电荷量Q_放电为：

式中，R_L为输出电阻的电阻值；R_C为充电电阻的电阻值。

7.如权利要求2所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述输出电阻同时设置于所述发射回路上。

8.如权利要求1-7任一所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，

所述发射回路包围所述接收回路，或者所述接收回路包围所述发射回路，或者所述接收回路与所述发射回路不存在包围关系；

所述雪崩三极管的连接级数为一级、两级或者多级。

9.如权利要求1-7任一所述的雪崩效应电磁传感器，其特征在于，所述发射回路的形状为椭圆形或者多边形；和/或

所述接收回路的形状为椭圆形或者多边形。