CN112097815A - 一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统 - Google Patents

一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，包括直流扫参模块(1)，微波电路模块(2)，处理显示模块(3)，微波传感器模块(4)，各个模块相互组合能够实现电压控制频率扫参，对比入射信号与反射信号或直通信号的值从而得到微波散射矩阵参数中反射系数和传输系数的变化趋势，反射系数和传输系数的变化趋势经过校准后能够得到实时检测的微波散射矩阵参数，本发明最终实现了将微波传感器反馈的散射矩阵参数曲线以及谐振点频率的值实时地显示在屏幕上的功能。本发明提供了一种能够在外部复杂环境下测试微波器件散射矩阵参数的系统，具体技术方式是通过单片机编程与射频电路模块搭配来实现微波传感器的散射矩阵参数测试。

Description

一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统
技术领域
本发明属于微波传感测试系统领域，具体涉及到用于测试微波传感器散射系数的系统。
背景技术
随着微波传感技术的飞速发展，微波传感器拥有精度高、实时性好且种类丰富的优良特性，已经被广泛应用于多种检测场景中，而如何实时检测微波传感器所得到的数据成为了一种需求。传统的矢量网络分析仪虽然有着非常高的测试精度与带宽，但由于体积庞大，对环境依赖较大，并且价钱十分昂贵，不能够适用于实验室以外的大多数场景的测试。为了提升微波传感测试系统的测量精度，且在此基础上减小测试系统的体积，目前已经有不同类型的微波传感测试系统被提出。西北工业大学公开了一种基于反射计传感器的微波近距测量方法(西北工业大学，微波测量，中国发明专利，申请号201510864487，申请日2015.11.30)，该发明利用终端开口矩形波导作为反射计传感器，终端开口矩形波导产生驻波，通过测量同一位置的电压大小来计算出对应的叶尖间距。只是该系统利用矩形波导，仍然存在成本高，体积大等缺点。杭州电子科技大学在审的一种基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统(杭州电子科技大学，介电常数测试系统，中国发明专利，申请号201910766954，申请日2019.08.20)，该发明利用微波差分传感器，读取在其中一个微波传感器上加载介质情况下产生的谐振频率差值来计算加载介质介电常数。只是该系统只能用于特定端口的微波传感器，存在测量局限性大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种体积小、成本低廉、适应能力强的用于微波传感的散射矩阵参数测试系统，其作用是与单、双两种端口类型的微波传感器相适应，快捷方便地测试材料的参数。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，包括直流扫参模块，微波电路模块，处理显示模块，微波传感器模块；直流扫参模块输出端与微波电路模块相连，微波电路模块与微波传感器模块相连，处理显示模块同时与直流扫参模块以及微波电路模块相连。
进一步地，所述的直流扫参模块由参考信号发生器、压控振荡器以及锁相环组成；参考信号发生器输出端与压控振荡器的输入端相连，压控振荡器产生的微波信号通过锁相环进行频率锁定后，再通过微带线与微波电路模块相接。
进一步地，所述的处理显示模块由第一数据处理单元、第二数据处理单元和显示模块组成；第一数据处理单元将采样得到的电压电流参数简单计算后输入到第二数据处理单元，第二数据处理单元计算得到散射系数值输入到显示模块中，显示模块中含有单片机，通过编程控制第一数据处理单元将采样得到的电压电流参数输入到第二数据处理单元的数据传输，并通过数据线与直流扫参模块进行时序同步。
进一步地，所述的微波传感器模块为单端口散射矩阵参数传感或双端口散射矩阵参数传感。
进一步地，所述的微波传感器模块采用单端口散射矩阵参数传感时，微波传感器模块由单端口微波传感器以及第一微波连接线构成；第一微波连接线是集成设计的微带线，或是带两个SMA接头的同轴线；微波电路模块则由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一检波器和第二检波器组成；第一定向耦合器正向输入端与锁相环输出端相接，正向耦合端接第一检波器并将检波得到的直流电压值V1输入到第一数据处理单元中；第一定向耦合器的正向隔离端接50Ω匹配负载，正向输出端直接与第二定向耦合器的正向输入端相连；第二定向耦合器正向输出端接微波传感器模块中的输入输出端口，第二定向耦合器反向耦合端接第二检波器并将检波得到的直流电压值V2输入到第一数据处理单元中；第二定向耦合器的反向隔离端接50Ω匹配负载；第一数据处理单元收到第一检波器和第二检波器输出的直流电压后处理得到电压比值R1＝V2/V1,并将R1的值通过数据线输入到第二数据处理单元中，第二数据处理单元输出端与显示屏幕连接。显示屏幕上的曲线R1为单端口微波传感器散射矩阵中的反射系数。
进一步地，所述的微波传感器模块采用双端口散射矩阵参数传感时，微波传感器模块由第一输入输出端口、第二输入输出端口以及双端口微波传感器；微波电路模块则由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一检波器、第二检波器和第三检波器组成；第一定向耦合器正向输入端与锁相环输出端相接，正向耦合端接第一检波器并将检波得到的直流电压值V1输入到第一数据处理单元中；第一定向耦合器的正向隔离端接50Ω匹配负载，正向输出端直接与第二定向耦合器的正向输入端相连；第二定向耦合器正向输出端接微波传感器模块中的第一输入输出端口，第二定向耦合器反向耦合端接第二检波器并将检波得到的直流电压值V2输入到第一数据处理单元中；第二定向耦合器的反向隔离端接50Ω匹配负载；第三定向耦合器正向输出端接微波传感器模块中的第二输入输出端口，第三定向耦合器反向耦合端接第三检波器并将检波得到的直流电压值V3输入到第一数据处理单元中；第三定向耦合器的反向隔离端接50Ω匹配负载；第一数据处理单元收到第一检波器、第二检波器和第三检波器的输出直流电压分别为V1、V2和V3，经第一数据处理单元处理后得到电压比值R1＝V2/V1和R2＝V3/V1，将R1和R2的值通过数据线输入到第二数据处理单元中，第二数据处理单元输出端与显示模块连接，显示模块上的曲线R1和R2分别为双端口微波传感器散射矩阵中的反射系数和传输系数。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明采用印刷电路板作为系统载体，具有体积小，成本低，集成度高等优点。
(2)本发明能够分别用于单端口和双端口微波传感器测量，具有适应能力强的优点。
(3)本发明能够实时将材料加载的测试信息显示在屏幕上，测量结果直观明了。
(4)本发明能够根据不同的应用场景选择校准器件与校准方式，用于其他器件散射系数中反射系数和传输系数的测量，应用范围十分广泛。
(5)本发明采用两个独立的定向耦合器分别检测入射信号和反射信号，相较于单个定向耦合器而言具有更高的隔离度，从而得到更加精确的反射系数，相似的结构也可以得到更加精确的传输系数。
为了更好的对本发明中的技术方案做出详细说明，本发明结合实施例中的附图作进一步介绍。
附图说明
图1为本发明的简略框图。
图2为利用单端口微波传感器测试时的详细原理框图。
图3为利用双端口微波传感器测试时的详细原理框图。
图4为本发明中信号发生器产生的信号示意图。
图5为利用单端口微波传感器测试时的反射系数实测结果。
具体实施方式
如图1的简略框图所示，一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统包括直流扫参模块，微波电路模块，处理显示模块，微波传感器模块。
进一步地，如图2的利用单端口微波传感器测试时的详细原理框图所示，参考信号发生器11、第一数据处理单元31和第二数据处理单元32的功能由单片机stm32f103c8t6以及DAC开发板MCP4725编程实现，如图4所示的类似于锯齿状的电压信号控制压控振荡器12产生2.8-3.2GHz的扫频微波信号；锁相环13起到稳定微波信号输出的作用；第一定向耦合器21、第二定向耦合器22和第三定向耦合器23均为微带λ/4耦合器，在工作频段拥有14dB的耦合度和大于35dB的隔离度，印制于厚度为0.8mm的Fr-4基板表面；第一检波器24、第二检波器25和第三检波器26均为包络检波器，分别与第一定向耦合器21、第二定向耦合器22和第三定向耦合器23对应的输出端相连接。单端口微波传感器41采用λ/4谐振枝节传感器，单端口微波传感器41空载时谐振点设置为接近3.2GHz，表面加载材料以后谐振点往低频偏移。实验论证该系统能够准确检测到反射系数的谐振点随单端口微波传感器41材料加载变化而发生的偏移；
进一步地，如图5的利用单端口微波传感器测试时的反射系数实测结果所示，单端口微波传感器41处于空载状态和工作状态时反射系数即电压比值对数的值，在单端口微波传感器41空载时其谐振频率为3.08GHz，加载介质时谐振频率降低到2.94GHz且品质因数降低，这是由于介质加载时微波传感器相对的λg/4<λ/4，从而导致原有的λ/4谐振枝节相对变长，频率降低，且介质加载引入损耗，品质因数下降。最终整个系统的尺寸为150mm×150mm×30mm，并能通过子系统的布局来实现整体三维尺寸的微调。
以上所述仅介绍了本发明的系统结构实现方式，并不是用于限制本发明，对于从事本领域的设计人员而言，本发明可以实现多种改动和变型。因此，凡是在本发明的思想和原则内的修改、变更、改进等，都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，包括直流扫参模块(1)，微波电路模块(2)，处理显示模块(3)，微波传感器模块(4)；其特征在于：直流扫参模块(1)输出端与微波电路模块(2)相连，微波电路模块(2)与微波传感器模块(4)相连，处理显示模块同时与直流扫参模块以及微波电路模块(2)相连。
2.根据权利要求1所述的用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，其特征在于：直流扫参模块(1)由参考信号发生器(11)、压控振荡器(12)以及锁相环(13)组成；参考信号发生器(11)输出端与压控振荡器(12)的输入端相连，压控振荡器(12)产生的微波信号通过锁相环(13)进行频率锁定后，再通过微带线与微波电路模块(2)相接。
3.根据权利要求1所述的用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，其特征在于：处理显示模块(3)由第一数据处理单元(31)、第二数据处理单元(32)和显示模块(33)组成；第一数据处理单元(31)将采样得到的电压电流参数简单计算后输入到第二数据处理单元(32)，第二数据处理单元(32)计算得到散射系数值输入到显示模块(33)中，显示模块(33)中含有单片机，通过编程控制第一数据处理单元(31)将采样得到的电压电流参数输入到第二数据处理单元(32)的数据传输，并通过数据线与直流扫参模块进行时序同步。
4.根据权利要求1所述的用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，其特征在于：微波传感器模块(4)为单端口散射矩阵参数传感或双端口散射矩阵参数传感。
5.根据权利要求1所述的用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，其特征在于：微波传感器模块(4)采用单端口散射矩阵参数传感时，微波传感器模块(4)由单端口微波传感器(41)以及第一微波连接线(45)构成；第一微波连接线(45)是集成设计的微带线，或是带两个SMA接头的同轴线；微波电路模块(2)则由第一定向耦合器(21)、第二定向耦合器(22)、第一检波器(24)和第二检波器(25)组成；第一定向耦合器(21)正向输入端与锁相环(13)输出端相接，正向耦合端接第一检波器(24)并将检波得到的直流电压值V1输入到第一数据处理单元(31)中；第一定向耦合器(21)的正向隔离端接50Ω匹配负载，正向输出端直接与第二定向耦合器(22)的正向输入端相连；第二定向耦合器(22)正向输出端接微波传感器模块(4)中的输入输出端口(41)，第二定向耦合器(22)反向耦合端接第二检波器(25)并将检波得到的直流电压值V2输入到第一数据处理单元(31)中；第二定向耦合器(22)的反向隔离端接50Ω匹配负载；第一数据处理单元(31)收到第一检波器(23)和第二检波器(24)输出的直流电压后处理得到电压比值R1＝V2/V1，并将R1的值通过数据线输入到第二数据处理单元(32)中，第二数据处理单元(32)输出端与显示屏幕(33)连接，显示屏幕(33)上的曲线R1为单端口微波传感器(41)散射矩阵中的反射系数。
6.根据权利要求1所述的用于微波传感的散射矩阵参数检测系统，其特征在于：微波传感器模块(4)采用双端口散射矩阵参数传感时，微波传感器模块(4)由第一输入输出端口(43)、第二输入输出端口(44)以及双端口微波传感器(42)；微波电路模块(2)则由第一定向耦合器(21)、第二定向耦合器(22)、第三定向耦合器(23)、第一检波器(24)、第二检波器(25)和第三检波器(26)组成；第一定向耦合器(21)正向输入端与锁相环(13)输出端相接，正向耦合端接第一检波器(24)并将检波得到的直流电压值V1输入到第一数据处理单元(31)中；第一定向耦合器(21)的正向隔离端接50Ω匹配负载，正向输出端直接与第二定向耦合器(22)的正向输入端相连；第二定向耦合器(22)正向输出端接微波传感器模块(4)中的第一输入输出端口(43)，第二定向耦合器(22)反向耦合端接第二检波器(25)并将检波得到的直流电压值V2输入到第一数据处理单元(31)中；第二定向耦合器(22)的反向隔离端接50Ω匹配负载；第三定向耦合器(23)正向输出端接微波传感器模块(4)中的第二输入输出端口(44)，第三定向耦合器(23)反向耦合端接第三检波器(26)并将检波得到的直流电压值V3输入到第一数据处理单元(31)中；第三定向耦合器(23)的反向隔离端接50Ω匹配负载；第一数据处理单元(31)收到第一检波器(24)、第二检波器(25)和第三检波器(26)的输出直流电压分别为V1、V2和V3，经第一数据处理单元(31)处理后得到电压比值R1＝V2/V1和R2＝V3/V1，将R1和R2的值通过数据线输入到第二数据处理单元(32)中，第二数据处理单元(32)输出端与显示模块(33)连接，显示模块(33)上的曲线R1和R2分别为双端口微波传感器(42)散射矩阵中的反射系数和传输系数。
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