CN105353227B - 无线电磁波检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线电磁波检测装置，其解决了现有电磁辐射检测仪检测频带窄、检测精度低、成本高的技术问题，其包括天线、对数功率检测器、滤波单元和峰值检波单元，天线的输出端与对数功率检测器的输入端连接，对数功率检测器的输出端通过滤波单元与峰值检波单元连接。本发明广泛用于无线电波检测技术领域。

Description

无线电磁波检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，尤其是涉及一种无线电磁波检测装置。

背景技术

在无线电波检测技术领域，现有的电磁辐射检测仪通常包括射频天线、高速运放峰值检波电路单元、普通运放信号放大电路单元和直流输出显示电路单元。

一般对于超宽频带的射频天线，要求天线的相对面积较大，才能达到输入阻抗随频率的增加而变化较平坦，即天线的带宽较宽。但较大的天线会使阻抗减小而使得输入信号偏低，导致检测起来不方便，有些无线电波辐射检测仪的天线设置就明显达不到要求的宽频带的效果。

对于使用高速运放的峰值检测电路，首先是面对的问题是滤波电容与检波二极管的匹配不准确，导致信号的滞后较大，其次高速的运放明显速度跟随不上，对于甚高频频段效果较好，但对于特高频频段的信号处理较差，当信号的频率达到该频段时，放大器开始能够实现信号的跟随，但是信号的处理效果会逐渐变差，直到信号全部衰减为零。有些辐射检测仪为了能够延长显示出数值的时间，在峰值检测电路的后面加一个电容，这样设计虽然延长了时间但避免不了信号最后衰减到零，即使使用带宽达到6G的放大器，其实际的增益带宽积只有其带宽的百分之一，实际的放大效果很差，仅仅使用跟随峰值检波的话，峰值检波后的信号值更加的微乎其微。一般经过峰值检波电路，都存在较大的失调电压，即使放大器性能较好能够跟随到检测的频率，实际的峰值检波后的电压有效值相对于失调电压微乎其微。

另一种检测射频信号的方式是通过混频器将高频信号降频为低频信号，然后对低频信号进行处理。如果要检测超宽频带的信号，就要通过一次混频然后进行二次混频再经过一系列的带通滤波器将信号提取。该方式不仅理论上复杂，实际的电路更加的复杂。在理论上首先一次混频，混频频率要确定好，然后一系列的二次混频与带通滤波，每一步骤的器件均需要严苛的计算，然而经过该方式仍然不能得到理想的信号值，因为只有在混频中心频率点能够得到理想的峰值，在两混频中心频率中间的频率点，信号的衰减相当的严重。实际的电路更加的复杂，经过多次的混频器，需要精准的电阻电容、精准的混频频率，不仅仅理论复杂，价格更加的昂贵，同时给工业应用带来了很大的负担。当然还有一种是通过调节混频器的混合频率来满足检测信号的方式，该方式是调节匹配的频率，经过混频器，混频出低频信号，通过提取低频信号的幅值来获得原信号的幅值大小，单纯采用该方式相当的麻烦，用起来像是使用老式的收音机通过调谐来获得信号的方式，该电路虽然简单但并不适合于宽频带的信号的读取，并且给用户带来了很大的使用负担，同样因为信号频带较大，调节起来有难度，使用起来很复杂，同样因为信号的复杂性，此种方式做不到实时的信号的检测。

发明内容

本发明就是为了解决现有电磁辐射检测仪检测频带窄、检测精度低、成本高的技术问题，提供了一种检测频带宽、检测精度高、成本低的无线电磁波检测装置。

本发明提供的无线电磁波检测装置，包括天线、对数功率检测器、滤波单元和峰值检波单元，天线的输出端与对数功率检测器的输入端连接，对数功率检测器的输出端通过滤波单元与峰值检波单元连接；

对数功率检测器包括第一对数放大器、第一检波器、第二检波器、求和器和电压调整器，第一检波器的输入端与第一对数放大器的输入端连接，第二检波器的输入端与第一对数放大器的输出端连接，第一检波器和第二检波器的输出端连接到求和器的输入端，求和器的输出端与电压调整器的输入端连接；

还包括第二对数放大器、第三对数放大器、第四对数放大器、第三检波器、第四检波器和第五检波器，第二对数放大器的输入端与第一对数放大器的输出端连接，第二对数放大器的输出端与第三对数放大器的输入端连接，第三对数放大器的输出端与第四对数放大器的输入端连接，第三检波器的输入端与第二对数放大器的输出端连接，第四检波器的输入端与第三对数放大器的输出端连接，第五检波器的输入端与第四对数放大器的输出端连接，第三检波器、第四检波器和第五检波器的输出端连接到求和器的输入端。

优选地，第一对数放大器、第二对数放大器、第三对数放大器和第四对数放大器均为10dB对数放大器。

优选地，天线包括第一容抗阵列、第一阻抗阵列、第二容抗阵列、第三容抗阵列、第二阻抗阵列和第四容抗阵列，第一阻抗阵列与第一容抗阵列连接，第二容抗阵列与第一阻抗阵列连接，第二阻抗阵列与第三容抗阵列连接，第四容抗阵列与第二阻抗阵列连接，第二容抗阵列和第三容抗阵列之间设有间隙。

优选地，所述间隙为1±0.1mm。

本发明的有益效果是：

(1)提供了基于对数功率检测器的宽频带无线电波检测装置，解决了信号随着时间延长幅值逐渐衰减为零的问题，达到了信号很明显的线性跟随效果，具有实时检测的能力，能够准确的测量出实际的外界无线电波场强值。

(2)解决了因为二次混频与带通滤波带来的复杂问题与冗余的计算量，以及高额的成本的问题，达到了突破性的进步，完美的避免了因为混频器所带来的各种问题。因为高频的电路设计需要考虑各种电磁兼容性要求与各类的信号干扰，使用本装置大大减小了硬件工程师的电路设计要求，因为电路相对非常简单，价格低廉，解决了复杂的混频器电路所处理达不到的效果。

(3)检测频带宽，该方法能够同时检测(50MHz,5GHz)频带之间所有频段内的无线电磁波幅值峰值，因为使用的天线长度与输出面积经过精密的计算，使得输出阻抗正好满足该频段内的高频信号检测要求，使得信号的衰减正好满足频带的信号增益要求，使得信号在天线上的压差与频率不具有正比关系。其次在该频带内几乎涵盖了各类家用电器与电子产品的高频信号频带，能够准确的反应出室内的无线电磁波的各类频段的总和，同时该产品可以用于各种含有高频信号的检验，避免发生各类的高频辐射带来的伤害。

(4)检测精度高，该产品的检测精度可以达到设备发生源的信号所表达的真知，误差小于百分之一，能够很精准的反应出无线电波的幅值水平，达到了一般的无线电磁波检测仪达不到的水平，电路经过较好的滤波方法，并且使用了噪声较小的放大器，最终实现了该效果。

(5)电路简单，该电路运用了对数功率检测方案，实现了从高频信号到低频脉冲信号的转换，既实现了高精度，检测范围广，又满足了电路简单易行，该电路因成功避免了复杂的二次混频器电路所带来的复杂运算量与电路要求，达到了电路简单易行的条件。

(6)价格较低、生产成本低，因为使用电路简单，使用器件较少，因此所需PCB的面积较小，更能够集成应用，所需价格较大的器件仅有对数放大器，该器件价格也较低，每千片价格1$,价格相对低廉。

(7)温度稳定性好，工作温度范围为-40℃至+85℃。温度范围宽，同时受到温度漂移小，很适合居家、室外作业等工作环境，几乎覆盖了自然环境下的温度条件。

(8)响应速度快，该装置没有引入较大的滤波整流电容，使得电路响应速度快，满足了电路的实时检测要求。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是天线的原理框图；

图3是对数功率检测器的原理框图。

附图符号说明：

1.天线；2.对数功率检测器；3.滤波单元；4.峰值检波单元；5.单片机；6.第一容抗阵列；7.第一阻抗阵列；8.第二容抗阵列；9.第三容抗阵列；10.第二阻抗阵列；11.第四容抗阵列；12.射频微波信号；13.第一对数放大器；14.第二对数放大器；15.第三对数放大器；16.第四对数放大器；17.第一检波器；18.第二检波器；19.第三检波器；20.第四检波器；21.第五检波器；22.求和器；23.电压调整器；24.低频方波信号。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的无线电磁波检测装置包括天线1、对数功率检测器2、滤波单元3、峰值检波单元4和单片机5，天线1的输出端与对数功率检测器2的输入端连接，对数功率检测器2的输出端与滤波单元3的输入端连接，滤波单元3的输出端与峰值检波单元4的输入端连接，峰值检波单元4的输出端与单片机5的输入端连接。单片机5可以连接有显示单元和信号指示单元。

该无线电磁波检测装置的无线电波检测的实质是如何实现将功率信号无失真的转换为电压信号，这个转换的过程由对数功率检测器2来完成。天线1产生的射频微波信号经过对数功率检测器2会产生随射频微波信号的功率成正比例的低频方波信号，随着射频功率的增加，方波信号的幅值在增加。经过对数功率检测器2，将射频输入信号转变为低频信号，再经过下一级的滤波单元3，可以消除掉在对数功率检测器2后端产生的较低频率与各高频频段内的白噪声与杂波信号，同时对实际的信号几乎不存在任何的影响。

如图2所示，天线1包括第一容抗阵列6、第一阻抗阵列7、第二容抗阵列8、第三容抗阵列9、第二阻抗阵列10和第四容抗阵列11，第一阻抗阵列7与第一容抗阵列6连接，第二容抗阵列8与第一阻抗阵列7连接，第二阻抗阵列10与第三容抗阵列9连接，第四容抗阵列11与第二阻抗阵列10连接。第二容抗阵列8和第三容抗阵列9之间设有1±0.1mm的间隙，该间隙作为天线1的输出端。对数功率检测器2的输入端置于第二容抗阵列8和第三容抗阵列9之间。

该电路集成了电阻电容构成的阻抗网络来参与信号的校正，因为信号频带较广，图中的电阻电容经过精密的计算，包括天线的长度与线抗、馈抗的关系。因为该天线检测的频带在(50MHz,5GHz)频域之间，所对应的电磁波的波长大于6厘米，为了满足天线长度与无线电磁波检测装置PCB的板长的限制，最终确定了无线电波检测电线的长度。因为天线检测的频带较广，一般的电容检测的信号的电压都与信号的频率成正比的关系，所对应的为了消减掉该频率对功率的影响，通过改变天线的线抗大小，调解信号所对应的电流值的大小，来通过控制功率的大小使得天线信号的输出功率只满足与天线信号检测的无线电波的电场强度有关，而不与信号的频率有关，即实现信号的检测功率与信号强度成正比关系。

如图3所示，对数功率检测器2包括第一对数放大器13、第二对数放大器14、第三对数放大器15、第四对数放大器16、第一检波器17、第二检波器18、第三检波器19、第四检波器20、第五检波器21、求和器22和电压调整器23。第一对数放大器13的输出端与第二对数放大器14的输入端连接，第二对数放大器14的输出端与第三对数放大器15的输入端连接，第三对数放大器15的输出端与第四对数放大器16的输入端连接，第一检波器17的输入端与第一对数放大器13的输入端连接，第二检波器18的输入端与第一对数放大器13的输出端连接，第三检波器19的输入端与第二对数放大器14的输出端连接，第四检波器20的输入端与第三对数放大器15的输出端连接，第五检波器21的输入端与第四对数放大器16的输出端连接，第一检波器17、第二检波器18、第三检波器19、第四检波器20和第五检波器21这五个检波器的输出端均连接到求和器22的输入端，求和器22的输出端与电压调整器23的输入端连接。

第一对数放大器13、第二对数放大器14、第三对数放大器15和第四对数放大器16均可以采用10dB对数放大器。

第一对数放大器13、第二对数放大器14、第三对数放大器15和第四对数放大器16之间采用直接耦合的方式，射频微波信号12经过各对数放大器和检波器到达求和器22，最后经过电压调整器23，经过反向的电压调整器的反馈回路以便得到更加理想的输入信号，该过程将信号进行调理后输出低频方波信号24。信号的传递函数为U₀＝a(e^p-b-c)，当信号大于最小值时，输出的电压信号满足与输入功率的指数函数成正比的关系。当然该方式只适用于正弦波输入信号，当输入其他的波形时，则需要进行功率的参数校正。上述情况仅适用于(50MHz,5GHz)的频域范围，当信号的频率不在该范围之内，信号的功率存在不同程度的失真，达不到信号检测的要求。当信号处在频带内，因为产品灵敏度高，允许以较低信号的电平进行测量，降低了耦合至检波器所需的功耗，典型的信号范围为1.25mV至224mV或-45dB至0dB。

对数功率检测器2输出的数字波形，数字波形的峰值为U₀＝a(e^p-b-c)，因此省略了采用双电源放大器供电方式的选择，采用了较为简单易行的单电源的供电方式。虽然供电方式较为简单，但并不影响信号的品质，同时使检测电路更加的简单可靠。信号的放大电路使用较为常用的正向比例放大电路，电路容易操作，放大倍数可控制。经过后面的峰值检波单元4，测量方波信号的峰值，因为在一个射频无线电波影响范围内，因为射频信号的间断性与各区域的不稳定，导致了在一定的检测范围内信号的跳跃变化，或者信号的不稳定导致的信号的跳跃变化，因而使用峰值检波电路，在几个变化的信号区间内提取信号的最大值。从而避免了因为信号的变化导致的信号的不稳定的情况。

需要说明的是，图3所示的电路中，第一对数放大器13和第二检波器18为一组处理单元，第二对数放大器14和第三检波器19为一组处理单元，第三对数放大器15和第四检波器20为一组处理单元，第四对数放大器16和第五检波器21为一组处理单元，这四组处理单元的结构只是举例，可以只设置一组处理单元，也可以设置两组或三组，或者五组以上的处理单元。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无线电磁波检测装置，其特征在于，包括天线、对数功率检测器、滤波单元和峰值检波单元，所述天线的输出端与所述对数功率检测器的输入端连接，所述对数功率检测器的输出端通过所述滤波单元与所述峰值检波单元连接；

所述对数功率检测器包括第一对数放大器、第一检波器、第二检波器、求和器和电压调整器，所述第一检波器的输入端与所述第一对数放大器的输入端连接，所述第二检波器的输入端与所述第一对数放大器的输出端连接，所述第一检波器和第二检波器的输出端连接到所述求和器的输入端，所述求和器的输出端与所述电压调整器的输入端连接；

还包括第二对数放大器、第三对数放大器、第四对数放大器、第三检波器、第四检波器和第五检波器，所述第二对数放大器的输入端与所述第一对数放大器的输出端连接，所述第二对数放大器的输出端与所述第三对数放大器的输入端连接，所述第三对数放大器的输出端与所述第四对数放大器的输入端连接，所述第三检波器的输入端与所述第二对数放大器的输出端连接，所述第四检波器的输入端与所述第三对数放大器的输出端连接，所述第五检波器的输入端与所述第四对数放大器的输出端连接，所述第三检波器、第四检波器和第五检波器的输出端连接到所述求和器的输入端。

2.根据权利要求1所述的无线电磁波检测装置，其特征在于，所述第一对数放大器、第二对数放大器、第三对数放大器和第四对数放大器均为10dB对数放大器。

3.根据权利要求1或2所述的无线电磁波检测装置，其特征在于，所述天线包括第一容抗阵列、第一阻抗阵列、第二容抗阵列、第三容抗阵列、第二阻抗阵列和第四容抗阵列，所述第一阻抗阵列与所述第一容抗阵列连接，所述第二容抗阵列与所述第一阻抗阵列连接，所述第二阻抗阵列与所述第三容抗阵列连接，所述第四容抗阵列与所述第二阻抗阵列连接，所述第二容抗阵列和第三容抗阵列之间设有间隙。

4.根据权利要求3所述的无线电磁波检测装置，其特征在于，所述间隙为1±0.1mm。