CN108106640A - 一种小型化电磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型化电磁传感器，包括：频率综合器及依次相接的宽带天线、射频前端模块、中频处理模块和输出接口，其中，宽带天线用于感应空间电磁信号；射频前端模块包括采用键合技术集成在同一芯片上的射频开关阵列和多个射频通道，射频开关阵列将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道，任一射频通道内设有一混频器，混频器将该射频通道内的空间电磁信号下变频为一特定频率的中频信号；中频处理模块将特定频率的中频信号下变频为基带数字信号，以输出空间电磁信号的特性信息。本发明的技术方案，能够解决传统测量电磁信号设备体积大，不方便移动，而无法实现对工作设备，特别是飞行器设备进行现场电磁兼容性测量与评估的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电磁传感器技术领域，具体涉及一种小型化电磁传感器。
背景技术
电磁干扰指的是电子设备和系统受到强电干扰或外部电磁信号的干扰，造成设备工作性能下降或者不能正常工作。设备在工作时，由于所处环境不同，可能会受到周围干扰源的影响，导致设备工作异常，在军事与民用领域造成了极大的危害。
虽然我们国家或其它国家在每种电子设备出厂时，都制定了严格的检验规范与标准，例如建立了许多电磁兼容微波暗室，通过各种试验检测电子设备工作的可靠性。但是，往往试验都是在静态环境下(或者电子设备没有完全处在工作状态)展开，或者仅仅对电子设备单独检测。而实际上，现代设备或装备，在有限的工作环境里同时有大量的无线电设备或者电子设备，工作信号极易受到干扰，从而使得排查电磁兼容的工作日趋复杂。这就急需要一种现场测试电磁环境的传感器，能对工作设备进行现场电磁兼容性的测量与评估，对产品的研发与生产具有重要的指导意义。
针对电磁测量的设备，目前主要集中在国外厂家，例如澳大利亚的WINRADIO公司研发WR-G39DDCe产品，美国SAT公司的SigMon系统，美国安捷伦公司的E3238S/N6820E专用无线电信号监测系统(俗称黑鸟)等，国内有些研究所也有跟进的产品，均具有如下特点：
价格昂贵，维护成本较高。
体积较大：主要用于研究室或实验室使用，不便于随系统集成。
标准化仪器：功能复杂，需要专业人员操作。
不提供天线，无法兼容专用系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小型化电磁传感器，以解决传统测量电磁信号设备体积大，不方便移动，而无法实现对工作设备，特别是飞行器设备进行现场电磁兼容性测量与评估的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型化电磁传感器，包括：频率综合器及依次相接的宽带天线、射频前端模块、中频处理模块和输出接口，其中，
所述宽带天线用于感应空间电磁信号；所述射频前端模块包括采用键合技术集成在同一芯片上的射频开关阵列和多个射频通道，所述射频开关阵列用于将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道，任一所述射频通道内设有一混频器，所述混频器用于将该射频通道内的空间电磁信号下变频为一特定频率的中频信号；所述频率综合器用于在所述中频处理模块的控制下为各射频通道提供下变频的本地振荡信号；
所述中频处理模块用于将所述特定频率的中频信号下变频为基带数字信号，并对所述基带数字信号进行处理以输出空间电磁信号的特性信息；其中，所述空间电磁信号的特性信息包括：频率、幅值和相位。
优选地，任一所述射频通道内还设有带通滤波器、低噪放大器、可变增益放大器和低通滤波器；所述带通滤波器、低噪放大器、混频器、可变增益放大器和低通滤波器依次相接。
优选地，所述射频开关阵列包括第一射频开关阵列和第二射频开关阵列，其中，
所述第一射频开关阵列的输入端与所述宽带天线相连，输出端与各射频通道的带通滤波器相连；所述第二射频开关阵列的输入端与各射频通道的低通滤波器相连，输出端与所述中频处理模块相连；
所述第一射频开关阵列用于将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道；所述第二射频开关阵列用于按预设时序将各射频通道输出的特定频率的中频信号输送给所述中频处理模块。
优选地，所述中频处理模块包括射频收发器及与所述射频收发器相连的处理器，其中，
所述射频收发器用于接收各射频通道输送的特定频率的中频信号，并将所述特定频率的中频信号转换为基带数字信号输出给所述处理器；所述处理器用于对所述基带数字信号进行分析运算，并输出空间电磁信号的特性信息。
优选地，所述处理器包括：
加窗模块，用于对所述射频收发器输出的基带数字信号进行加窗运算，得到特定时域范围内的基带数字信号；
FFT模块，用于对所述特定时域范围内的基带数字信号进行FFT运算，得到频域响应信号；
取模模块，用于对所述频域响应信号进行取模运算，得到空间电磁信号的频谱幅度值；
数据预处理模块，用于对所述频域响应信号进行压缩，并通过所述输出接口发送给外部设备。
优选地，所述射频收发器选用AD9361集成收发芯片，所述处理器选用ZYNQ7020系列AP-SOC芯片。
优选地，所述处理器引出的SPI接口与AD936的SPI控制接口相连接，用于对AD9361的参数配置。
优选地，所述处理器外接2000MB的DDR芯片，同时还设置了SD卡接口；
AD9361的基带数据接口与所述处理器的PL端相连，所述处理器通过时序匹配和控制，将接收到的基带数字信号通过内部AXI-DMA所连接的AXI总线发送给所述DDR芯片。
优选地，所述宽带天线包括用于感应低频空间电磁信号的环形天线和用于感应高频空间电磁信号的圆锥天线。
优选地，所述小型化电磁传感器，还包括壳体，所述壳体上设置有多个天线接口，所述宽带天线可插拔地设置在所述天线接口中；所述射频前端模块和中频处理模块设置在所述壳体内，所述输出接口嵌设在所述壳体上。
本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
由于在组装效率、信号传输速度、电性能等方面的独特优势，多芯片微波(M C M)已进入全面应用阶段，它具有布线密度高、互连线短、体积小、重量轻和性能优良等显著特点。本发明提供的这种小型化电磁传感器，射频前端模块包括采用键合技术集成在同一芯片上的射频开关阵列和多个射频通道，射频前端模块采用了微波键合技术，使整机小型化(具体实践中，本发明提供的这种小型化电磁传感器可以将体积做到仅为165mmx100mmx65mm，公差±0.1mm)，最大限度发挥了高集成度、高速半导体IC性能，从而减少了电磁传感器的体积，使其既可以集成在工作设备内部，也可以安装在工作设备周围，解决了传统测量电磁信号设备体积大，不方便移动，而无法实现对工作设备，特别是飞行器设备进行现场电磁兼容性测量与评估的问题。
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为本发明一实施例提供的一种小型化电磁传感器的整体示意框图；
图2为本发明一实施例提供的射频前端模块的示意框图；
图3为本发明一实施例提供的中频处理模块的示意框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1和图2，本发明一实施例提供的一种小型化电磁传感器，包括：频率综合器1及依次相接的宽带天线2、射频前端模块3、中频处理模块4和输出接口5，
其中，所述宽带天线2用于感应空间电磁信号；所述射频前端模块3包括采用键合技术集成在同一芯片上的射频开关阵列和多个射频通道，所述射频开关阵列用于将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道，任一所述射频通道内设有一混频器31，所述混频器31用于将该射频通道内的空间电磁信号下变频为一特定频率的中频信号；所述频率综合器1用于在所述中频处理模块4的控制下为各射频通道提供下变频的本地振荡信号；
所述中频处理模块4用于将所述特定频率的中频信号下变频为基带数字信号，并对所述基带数字信号进行处理以输出空间电磁信号的特性信息；其中，所述空间电磁信号的特性信息包括：频率、幅值和相位。
可以理解的是，由于在组装效率、信号传输速度、电性能等方面的独特优势，多芯片微波(M C M)已进入全面应用阶段，它具有布线密度高、互连线短、体积小、重量轻和性能优良等显著特点。本发明提供的这种小型化电磁传感器，射频前端模块3包括采用键合技术集成在同一芯片上的射频开关阵列和多个射频通道，射频前端模块3采用了微波键合技术，使整机小型化，最大限度发挥了高集成度、高速半导体IC性能，从而减少了电磁传感器的体积，使其既可以集成在工作设备内部，也可以安装在工作设备周围，解决了传统测量电磁信号设备体积大，不方便移动，而无法实现对工作设备，特别是飞行器设备进行现场电磁兼容性测量与评估的问题。
参见图2，优选地，任一所述射频通道内还设有带通滤波器、低噪放大器、可变增益放大器和低通滤波器；所述带通滤波器34、低噪放大器35、混频器31、可变增益放大器36和低通滤波器37依次相接。
优选地，所述射频开关阵列包括第一射频开关阵列32和第二射频开关阵列33，其中，
所述第一射频开关阵列32的输入端与所述宽带天线2相连，输出端与各射频通道的带通滤波器34相连；所述第二射频开关阵列33的输入端与各射频通道的低通滤波器37相连，输出端与所述中频处理模块4相连；
所述第一射频开关阵列32用于将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道；所述第二射频开关阵列33用于按预设时序将各射频通道输出的特定频率的中频信号输送给所述中频处理模块4。
需要说明的是，本发明提供的这种小型化电磁传感器，宽带天线2可以感应9kHz～41GHz的空间电磁信号，各个射频通道处理的空间电磁信号的频率是连续可调的，且等带宽的。例如：第一射频通道处理的是9KHz～2009KHz的空间电磁信号，第二射频通道处理的是2010KHz～4010KHz的空间电磁信号，第三射频通道处理的是4011KHz～6011KHz的空间电磁信号......以此类推。
可以理解的是，各个射频通道内用于下变频的本地振荡信号的频率也是连续可调的，由频率综合器1产生，分别输送到各个射频通道内的混频器31，用于空间电磁信号的下变频。各个射频通道的带通滤波器34的中心频率与上、下截止频率也是不同的。
需要说明的是，所述特定频率为325.5MHzMHz。
可以理解的是，本发明提供的这种小型化电磁传感器，首先对宽带天线2感应的空间电磁信号进行等带宽划分，然后进行混频。在混频前后分别通过带通滤波器34进行加窗和滤噪，混频后，对输出的特定频率的中频信号通过低通滤波器37再次进行滤噪，有效抑制了环境噪声的干扰，实现了射频信号低损耗与良好的信噪比接收。
优选地，所述中频处理模块4包括射频收发器及与所述射频收发器相连的处理器，其中，
所述射频收发器用于接收各射频通道输送的特定频率的中频信号，并将所述特定频率的中频信号转换为基带数字信号输出给所述处理器；所述处理器用于对所述基带数字信号进行分析运算，并输出空间电磁信号的特性信息。
优选地，所述处理器包括：
加窗模块，用于对所述射频收发器输出的基带数字信号进行加窗运算，得到特定时域范围内的基带数字信号；
FFT模块，用于对所述特定时域范围内的基带数字信号进行FFT运算，得到频域响应信号；
取模模块，用于对所述频域响应信号进行取模运算，得到空间电磁信号的频谱幅度值；
数据预处理模块，用于对所述频域响应信号进行压缩，并通过所述输出接口5发送给外部设备。
参见图3，优选地，所述射频收发器选用AD9361集成收发芯片，所述处理器选用ZYNQ7020系列AP-SOC芯片。
需要说明的是，电磁传感器运算任务的分解既不能太粗，也不能太细。太粗会增加逻辑设计的复杂性，太细又会因逻辑IP核太多而增加底层软件设计的复杂性，所以分解的方法要尽量降低逻辑和软件的综合复杂度。
电磁传感器设计中，对电磁信号的分析运算任务粗粒度分解为加窗、FFT、取模，数据预处理四个任务。用户层对电磁信号数据进行分析时，会根据要求进行窗函数类型的选择，FFT运算点数的确定，以及确定显示结果是幅值还是相位。同时加窗、FFT、取模三部分运算过程之间是依次进行的，相互之间没有干扰，依据上述标准封装IP核，数据在各个硬件IP核间进行三级流水线处理。
具体说明如下：
1、加窗：对基带数字信号进行频域分析时，为了防止信号截断所产生的频谱泄漏问题，加窗是常用的处理方法。数据的加窗处理需要乘法运算，这对于没有硬件乘法器的处理器来说需要消耗大量的时间。采用处理器PL内部的可编程逻辑资源进行并行处理将会大大节省时间。
2、FFT运算：频谱分析最主要的一环就是对信号进行时域到频域的变换，通过FFT把时域信号变换到频域来进行分析。FFT运算由于需要大量的相乘累加的运算，它的运算非常消耗时间，它的运算量会随着运算点数的增加而成倍增加，所以为了加快运算速度，一般采用硬件进行并行运算。
本发明中通过调用处理器提供的IP核，实现基4-FFT变换，它可以对输入存储器和输出存储器进行复用，这样就有效降低了片内FPGA的资源消耗，通过提高系统的工作时钟，可以使FFT运算达到非常高的速度。
3、取模：由于FFT运算之后，结果是以复数的表示形式出现的，而一般进行频谱分析的时候，需要知道信号的频谱幅度，即复数取模后的值。本发明采用XILINX公司提供的IPCore进行取模开方、并进行了优化处理。
4、数据预处理：由于数据存储量较大，为了实时分析，数据送出时，内部采用了复杂的压缩算法，由原来数据速率5MB/s，压缩到约1MB/s。
优选地，所述处理器引出的SPI接口与AD936的SPI控制接口相连接，用于对AD9361的参数配置。
优选地，所述处理器外接2000MB的DDR芯片，同时还设置了SD卡接口；
AD9361的基带数据接口与所述处理器的PL端相连，所述处理器通过时序匹配和控制，将接收到的基带数字信号通过内部AXI-DMA所连接的AXI总线发送给所述DDR芯片。
可以理解的是，对待测设备电磁信号进行实时频谱分析时，要求一帧FFT变换的时间小于一帧数据采集时间，这样才能保证触发是实时的。目前大多数基带数字信号处理都采用专门的信号处理器件如DSP来进行处理，它的优点是所有处理都可以用软件实现，设计起来非常的灵活可控。但是由于DSP是串行处理器件，它的处理速度不足以满足实时频谱分析的处理速度要求，一般用在非实时频谱分析或者低频段的实时分析处理中。
为了达到高速实时处理的要求，必须借助于硬件进行并行处理。FPGA作为可编程逻辑器件，其并行处理特性可以使数据处理速度满足信号实时处理分析的要求。FPGA虽然在并行处理上有很好的性能，但是在灵活性方面远不如DSP等处理器件，在复杂数据流的转换控制、应用事物决策等方面的实现上比较复杂。本发明提供的这种小型电磁传感器，选用Xilinx推出的zynq-7000系列AP-SOC，它在芯片内部集成了高性能双核cotex-A9处理器核心和FPGA。Xilinx公司开发和定义的内部PS(处理器系统)和PL(处理逻辑)灵活交互机制，所有耗时的信号处理工作都可以交由内部硬件逻辑PL来做，而复杂的数据控制和决策处理则交由片内PS来完成。这样一来既能满足对基带数字信号高速处理的要求，又具有复杂逻辑控制的灵活性。
优选地，所述宽带天线2包括用于感应低频空间电磁信号的环形天线和用于感应高频空间电磁信号的圆锥天线。
可以理解的是，测试环境中包含的空间混合的电磁波也会被当成目标辐射的电磁场同时被监测到，近场测量时，可以距离待测目标3～10个波长的范围里，用已知电特性的探头，对待测目标进行快速扫描，把电信号转换成变换域信号(FFT)进行分析。远场测量时，采用专用天线测量。
因此，宽带天线2分为两种：用于感应低频空间电磁信号的环形天线和用于感应高频空间电磁信号的圆锥天线。
优选地，所述小型化电磁传感器，还包括壳体，所述壳体上设置有多个天线接口，所述宽带天线2可插拔地设置在所述天线接口中；所述射频前端模块3和中频处理模块4设置在所述壳体内，所述输出接口5嵌设在所述壳体上。
需要说明的是，本发明提供的这种小型化电磁传感器，预留了丰富的接口，例如RS422接口、以太网接口等，便于与外部系统集成。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
Claims (10)
1.一种小型化电磁传感器，其特征在于，包括：频率综合器及依次相接的宽带天线、射频前端模块、中频处理模块和输出接口，其中，
所述宽带天线用于感应空间电磁信号；所述射频前端模块包括采用键合技术集成在同一芯片上的射频开关阵列和多个射频通道，所述射频开关阵列用于将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道，任一所述射频通道内设有一混频器，所述混频器用于将该射频通道内的空间电磁信号下变频为一特定频率的中频信号；所述频率综合器用于在所述中频处理模块的控制下为各射频通道提供下变频的本地振荡信号；
所述中频处理模块用于将所述特定频率的中频信号下变频为基带数字信号，并对所述基带数字信号进行处理以输出空间电磁信号的特性信息；其中，所述空间电磁信号的特性信息包括：频率、幅值和相位。
2.根据权利要求1所述的小型化电磁传感器，其特征在于，任一所述射频通道内还设有带通滤波器、低噪放大器、可变增益放大器和低通滤波器；所述带通滤波器、低噪放大器、混频器、可变增益放大器和低通滤波器依次相接。
3.根据权利要求2所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述射频开关阵列包括第一射频开关阵列和第二射频开关阵列，其中，
所述第一射频开关阵列的输入端与所述宽带天线相连，输出端与各射频通道的带通滤波器相连；所述第二射频开关阵列的输入端与各射频通道的低通滤波器相连，输出端与所述中频处理模块相连；
所述第一射频开关阵列用于将不同频率的空间电磁信号分别接入到不同的射频通道；所述第二射频开关阵列用于按预设时序将各射频通道输出的特定频率的中频信号输送给所述中频处理模块。
4.根据权利要求3所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述中频处理模块包括射频收发器及与所述射频收发器相连的处理器，其中，
所述射频收发器用于接收各射频通道输送的特定频率的中频信号，并将所述特定频率的中频信号转换为基带数字信号输出给所述处理器；所述处理器用于对所述基带数字信号进行分析运算，并输出空间电磁信号的特性信息。
5.根据权利要求4所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述处理器包括：
加窗模块，用于对所述射频收发器输出的基带数字信号进行加窗运算，得到特定时域范围内的基带数字信号；
FFT模块，用于对所述特定时域范围内的基带数字信号进行FFT运算，得到频域响应信号；
取模模块，用于对所述频域响应信号进行取模运算，得到空间电磁信号的频谱幅度值；
数据预处理模块，用于对所述频域响应信号进行压缩，并通过所述输出接口发送给外部设备。
6.根据权利要求5所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述射频收发器选用AD9361集成收发芯片，所述处理器选用ZYNQ7020系列AP-SOC芯片。
7.根据权利要求6所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述处理器引出的SPI接口与AD936的SPI控制接口相连接，用于对AD9361的参数配置。
8.根据权利要求7所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述处理器外接2000MB的DDR芯片，同时还设置了SD卡接口；
AD9361的基带数据接口与所述处理器的PL端相连，所述处理器通过时序匹配和控制，将接收到的基带数字信号通过内部AXI-DMA所连接的AXI总线发送给所述DDR芯片。
9.根据权利要求1～8任一项所述的小型化电磁传感器，其特征在于，所述宽带天线包括用于感应低频空间电磁信号的环形天线和用于感应高频空间电磁信号的圆锥天线。
10.根据权利要求9所述的小型化电磁传感器，其特征在于，还包括壳体，所述壳体上设置有多个天线接口，所述宽带天线可插拔地设置在所述天线接口中；所述射频前端模块和中频处理模块设置在所述壳体内，所述输出接口嵌设在所述壳体上。
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