CN105372508B - 一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，包括：分布式薄膜电阻加载的电小探头、检波二极管、高阻低通滤波器、高阻传输线，输出端口及低损耗介质板；通过分布式薄膜电阻加载的电小探头接收空间中的电场辐射信号，然后通过检波二极管进行电场辐射强度的检测，电场辐射强度的检测值通过高阻低通滤波器及高阻传输线传送到输出端口。本发明提出的一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，具有结构简单、体积较小、工作带宽宽、灵敏度高、失真小等优点，克服了传统谐振式的电场检测器尺寸大、工作带宽窄、灵敏度低、失真大的不足，实现了电场辐射的高灵敏度低失真宽带检测。

Description

一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器及其设 计方法
技术领域
本发明涉及电场辐射领域，特别涉及一种电场辐射宽带检测器，还涉及该检测器的设计方法。
背景技术
电场辐射是一种难以感知的隐形污染，在一定的空间中，电场辐射强度达到一定限值后，将对人身健康或动物的生存安全等产生不良影响，同时也会对电子仪器、设备，包括通信设备的安全运行产生影响。如何快速发现并测试电场辐射信号的强度以便进行设备及人员的电磁防护具有重要的意义。
电场辐射探测器可以实现电场辐射强度的快速检测，可以判定所监测区域是否满足相关辐射安全标准，最终确定敏感区域内人员的安全问题。
为了能够实时的检测周边环境的电场辐射强度，需要开发一种可广泛应用于各种敏感区域的电场辐射检测器，以便判定所检测区域是否满足相关国军标标准，最终确定敏感区域人员及设备的安全问题。
传统的电场辐射测量方法主要有两种：一是基于偶极子天线的二极管检波法，二是基于热电偶的检测方法等。
第一种方法受限于偶极子天线的谐振特性，工作带宽较窄，不太适合于电场辐射的宽带测量，另外由于采用偶极子天线形式，天线的尺寸为电大尺寸，对测试场的干扰影响较大，从而失真较大，不太适合于电场辐射的精确测量。第二种方法受热电偶本身特性的限制，体积较大，测试灵敏度较低，结构复杂，成本较高。
目前，常用的电场辐射检测器是采用谐振式天线进行电场辐射检测，这种电场辐射检测器是与本发明最接近的现有技术，其结构如图1所示，主要由偶极子天线及检波二极管构成，偶极子天线接收电场辐射信号经二极管检波后输出。
图1所示方案天线设计技术成熟，加工难度小，但偶极子天线受限于其谐振式工作机理，天线尺寸一般是半个波长，为电大尺寸，对测试区域的辐射场强干扰较大，同时其工作带宽较窄，很难满足电场辐射宽带高灵敏度测试的需求。电场辐射经二极管检波输出后没有进行有效的低通滤波，检波信号上叠加了高频分量，导致测试的失真较大。总体来说，这种方案，难以满足电场辐射的高灵敏度低失真宽带检测的需求。
发明内容
为了解决以上难题，本发明提出了一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，该检测器是一种适用于近远场全空间区域的射频宽带电场辐射探测的普适性技术方案。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，包括：
分布式薄膜电阻加载的电小探头、检波二极管、高阻低通滤波器、高阻传输线，输出端口及低损耗介质板；
通过分布式薄膜电阻加载的电小探头接收空间中的电场辐射信号，然后通过检波二极管进行电场辐射强度的检测，电场辐射强度的检测值通过高阻低通滤波器及高阻传输线传送到输出端口。
可选地，通过分布式薄膜电阻加载实现电小探头的行波特性，利用薄膜电阻的宽带吸收特性进行电场辐射信号的宽带接收。
可选地，所述电小探头上溅射的薄膜电阻单位阻抗，表述为：
可选地，所述电小探头上的电流分布表述为行波的形式：
其中，h表示电小偶极子长度的一半，k表示波数，而V0表示驱动电压，在这里：
其中，a表示电小探头的半径，C(x，y)和S(x，y)分别表示归一化的余弦和正弦积分。
可选地，检波二极管的结电容Cj≤0.1pF。
可选地，所述高阻传输线为曲折线形式。
可选地，跨接在检波二极管两端的高阻传输线等效于一个分布式低通滤波器，由串联电感及分布式耦合电容构成，其中，单位长度的电感L和电容C表示为：
此处w代表了高阻线的线宽，d代表了高阻线的间距。
本发明还提供了上述检测器的设计方法，首先根据电场探头的工作频率设计并确定电小探头长度，然后算出薄膜电阻的单位阻抗Zi(z)，最终将印刷在介质板上的电小探头的两臂按照上述的单位阻抗溅射上薄膜电阻层，从而设计出具有行波特性的电小探头。
可选地，所述电场探头的工作频率取最高工作频率对应波长的十分之一。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了分布式薄膜电阻加载的电小探头进行电场辐射信号的宽带接收，具有较小的结构尺寸，同时减小了对测试场的影响；
(2)本发明采用了薄膜电阻分布加载的电小探头及高灵敏度检波二极管结合的检波电路的一体化设计，通过选择合适参数的检波二极管并优化设计电小探头实现了电场辐射强度的高灵敏度检测；
(3)本发明采用了曲折线形式的薄膜高阻线，通过优化结构尺寸，调整串联电感及分布式耦合电容值，构成了高阻低通滤波器，实现了射频信号的隔离，减小了检波信号的失真。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的偶极子天线形式的电场辐射检测器示意图；
图2为本发明一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器整体结构示意图；
图3为本发明探头检波电路的等效原理图；
图4为本发明高阻低通滤波器等效电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的电场辐射检测器虽然加工简单，但受偶极子天线谐振式工作原理的限制，检测器尺寸相对较大，工作带宽窄，灵敏度低，失真大，不太适合于电场辐射的高灵敏度低失真宽带测量。
针对现有电场辐射检测器的缺点，本发明提出了一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，实现电场辐射的高灵敏度低失真宽带测量。本发明采用分布式薄膜电阻加载的电小探头进行电场辐射的宽带接收，然后通过高灵敏度的低势垒肖特基二极管进行电场辐射的检测，并将检波信号通过曲折型高阻线构成的低通滤波器射频信号隔离，从而达到低失真输出的目的。
本发明提出的电场辐射宽带检测器，具有简单的结构形式，可实现电场辐射的高灵敏度低失真宽带检测。采用该技术方案设计的电场辐射检测分析仪可以覆盖短波、超短波、微波及毫米波频段从而基本满足军民用单位的电场辐射检测的需求。
下面结合说明书附图对本发明进行详细说明。
如图2所示，本发明提出了一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，该电场辐射宽带检测器包括：分布式薄膜电阻加载的电小探头1、高灵敏度检波二极管2，高阻低通滤波器3、高阻传输线4，输出端口5及低损耗介质板6。
本发明的电场辐射宽带检测器通过分布式薄膜电阻加载的电小探头1接收空间中的电场辐射信号，然后通过高灵敏度检波二极管2进行电场辐射强度的检测，电场辐射强度的检测值通过高阻低通滤波器3及高阻传输线4传送到输出端口5。
本发明主要是通过分布式薄膜电阻加载实现了电小探头的行波特性，利用薄膜电阻的宽带吸收特性进行了电场辐射信号的宽带接收。
电小探头上溅射的薄膜电阻单位阻抗，可表述为：
电小探头上的电流分布可表述为行波的形式，
其中，h代表了电小偶极子长度的一半，k代表了波数，而V0代表了驱动电压，在这里：
其中，a代表了电小探头的半径，C(x，y)和S(x，y)分别代表了归一化的余弦和正弦积分。
在设计中，首先根据电场探头的工作频率设计并确定合适的电小探头长度，一般取最高工作频率对应波长的十分之一，然后算出薄膜电阻的单位阻抗Zi(z)，最终将印刷在低损耗介质板上的电小探头的两臂按照上述的单位阻抗溅射上薄膜电阻层，从而可以设计出具有行波特性的电小探头。
本发明中采用高灵敏度检波二极管实现电场辐射强度的检测。
二极管的选择主要需考虑以下几个参数：1)最大工作频率fmax；2)二极管的结电容(Cj)；3)二极管的结电阻(Rj)；4)检波灵敏度。
高的频率fmax决定了最小Cj和寄生电抗，比如电容(Cp)和二极管的传导电感(L)。二极管的电容应很小，因为它要与电小探头的驱动点电容(Ca)进行电压分压，具体的等效原理如图3所示。
总之，只有结电容Cj≤0.1pF的二极管才可以使用，并且Ca和Rj共同组成一个高通滤波器，最终决定了整个探头的低端的截止频率(fmin)，同样的只有结电阻很大的二极管才可以采用。
本发明中跨接在二极管两端的曲折线高阻传输线起到一个分布式低通滤波器的作用，由高损耗的串联电感及分布式耦合电容构成，实现了射频信号的隔离，减小了检波信号的失真，其等效电路如图4所示，单位长度的电感L和电容可表述为：
此处w代表了高阻线的线宽，d代表了高阻线的间距。
综上所述，本发明提出的一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，可以实现电场辐射强度的高灵敏度低失真宽带检测。
本发明提出的一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，具有结构简单、体积较小、工作带宽宽、灵敏度高、失真小等优点，克服了传统谐振式的电场检测器尺寸大、工作带宽窄、灵敏度低、失真大的不足，实现了电场辐射的高灵敏度低失真宽带检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (6)

1.一种基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，其特征在于，通过分布式薄膜电阻加载实现电小探头的行波特性，利用薄膜电阻的宽带吸收特性进行电场辐射信号的宽带接收，包括：
分布式薄膜电阻加载的电小探头、检波二极管、高阻低通滤波器、高阻传输线，输出端口及低损耗介质板；
通过分布式薄膜电阻加载的电小探头接收空间中的电场辐射信号，然后通过检波二极管进行电场辐射强度的检测，电场辐射强度的检测值通过高阻低通滤波器及高阻传输线传送到输出端口；
所述电小探头上溅射的薄膜电阻单位阻抗，表述为：
所述电小探头上的电流分布表述为行波的形式：
其中，h表示电小偶极子长度的一半，k表示波数，而V0表示驱动电压，在这里：
其中，a表示电小探头的半径，C(x，y)和S(x，y)分别表示归一化的余弦和正弦积分。
2.如权利要求1所述的基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，其特征在于，检波二极管的结电容Cj≤0.1pF。
3.如权利要求1所述的基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，其特征在于，所述高阻传输线为曲折线形式。
4.如权利要求3所述的基于分布式薄膜电阻加载的电场辐射宽带检测器，其特征在于，跨接在检波二极管两端的高阻传输线等效于一个分布式低通滤波器，由串联电感及分布式耦合电容构成，其中，单位长度的电感L和电容C表示为：
此处w代表了高阻线的线宽，d代表了高阻线的间距。
5.一种权利要求1至4任一项所述检测器的设计方法，其特征在于，首先根据电场探头的工作频率设计并确定电小探头长度，然后算出薄膜电阻的单位阻抗Z′(z)，最终将印刷在介质板上的电小探头的两臂按照上述的单位阻抗溅射上薄膜电阻层，从而设计出具有行波特性的电小探头。
6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述电场探头的工作频率取最高工作频率对应波长的十分之一。
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