CN112684246B - 一种高灵敏度的微波功率检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的微波功率检测系统，包括微波发射模块、微波接收模块、磁隧道结敏感元件、功率检测电路、信号调理电路、数据采集模块和控制微波信号及显示检测电压的计算机。其中，所述的微波发射模块中使用四象限射频乘法调制器来产生双边带调幅信号，微波发射器件和微波接收模块中的微波接收器件均使用平衡对踵式Vivaldi平面端射天线，所述的磁隧道结敏感元件使用MgO势垒层磁隧道结，并对其施加面内短轴方向磁场作用，所述的功率检测电路、信号调理电路用来对微波小信号进行放大、滤波以及信号调理，最后通过计算机进行信号采集和处理，本发明可在室温和平面内磁场下，对微波功率实现高灵敏度检测，构建结构简单、集成度高。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统技术领域，具体涉及一种高灵敏度的微波功率检测系统。
背景技术
随着科学技术的进步和信息化时代的到来，微波技术取得了高速的发展，已经成为一门比较成熟并且应用范围极为广泛的技术。经过在原本广泛的无线通讯领域之外的不断发展，微波技术的应用已渗透到了科学领域的许多方面，如全球定位系统、雷达以及电子和计算机工程学科都与微波技术密不可分。另外各种分子、原子和原子核的谐振都发生在微波频段下，这使得微波在基础科学领域、遥感、气象、医学诊断和治疗以及加热方法等方面也具有独特的应用。
微波信号的参量有很多，而微波功率便是其中非常重要的一个性能参数，微波电路中常用功率这一指标来表示信号的特征，这与传统集总电路中经常使用电流电压不同。比如在雷达发射机和接收机的系统中，微波功率就是一个至关重要的参数，通过对微波发射功率和接收功率进行检测，可以计算雷达微波信号的作用距离，还可以根据信号功率值的大小来对微波发射电路和接收电路的一些参数进行必要的调整，而从起到提高微波检测灵敏度等性能和改变微波传输距离的作用。此外，通过测量振荡源、放大器和各种微波元器件的输入输出功率可以确定插入损耗、增益和隔离度等主要技术指标。在这些微波系统中，通过对功率的测量和控制，可以使系统更智能化和自动化，并提高系统运行的可靠性，因而微波功率的检测具有重要的意义。
随着微波系统应用要求的提高，对微波功率检测系统提出了很多新要求。比如检测条件苛刻时需要检测微弱信号的功率，还要实现较大的检测灵敏度和宽频带，对于系统集成方面要求实现便携式、小型化与标准制造工艺兼容等特点。传统的微波功率检测方法有辐射热测量、热电偶法以及晶体管检波的方法，这些常规的微波检测方法不可避免的存在一个最致命的缺点，就是检测过程中能量耗散大，特别是前两种微波功率检测方法，在能量传递的过程中可能有相当大一部分微波能量转化成其它的无用能量，因此检测灵敏度不高，通常只有μV/mW量级。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种高灵敏度的微波功率检测系统，使用时域特性稳定、端射特性较好的平衡对踵式Vivaldi平面天线进行微波信号的发射和接收，并在电子自旋特性的基础上，使用基于原子制造技术的MgO势垒层磁隧道结作为微波敏感元件，加之以高精度、低噪声的微波信号处理电路，来实现一套小型化、可集成的高精度微波功率探测系统，该系统理论上具备有微波探测精度优于μW量级的能力，在雷达、导航、国防和武器检测等领域有着良好的应用潜力。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高灵敏度的微波功率检测系统，包括微波发射模块、微波接收模块、磁隧道结敏感元件、功率检测电路、信号调理电路、数据采集模块、控制微波信号及显示检测电压的计算机。
微波发射模块包括微波信号源、乘法调制器、正弦波发生器以及发射天线，所述微波信号源产生的射频微波载波信号和正弦波发生器产生的低频正弦波信号通过乘法调制器进行乘法调制得到双边带调幅信号，最后通过发射天线发射信号；
微波接收模块，包括接收天线、DC(直流)偏置电流信号、T型偏置器，所述接收天线接受的信号通过T型偏置器输出的RF(射频)+DC(直流)偏置电流信号馈入到磁隧道结敏感元件，并对磁隧道结加载面内短轴方向的磁场作用，值得注意的是，本发明中使用的磁隧道结敏感元件具有可替换性，可以被替换为其它的微波敏感元件，例如射频肖特基二极管，因此使用除了磁隧道结敏感元件之外的其它微波敏感元件同样在本发明的保护范围之内；
功率检测电路，包括低噪声放大器、信号检波、放大，射频微波信号通过低噪声放大器和信号检波、放大进入信号调理电路进行信号调理，信号调理电路主要用来实现信号整流及调理；
数据采集模块，包括ADC模数转换器、MCU单片机，经过调理后的直流电压信号通过ADC模数转换器、MCU单片机进行采集，再通过USB总线与计算机进行数据传输，通过面板显示检测数据。
进一步的，微波信号源是基于高性能、低噪声的锁相环频率合成器LMX2582来集成实现的，频率带宽范围是20MHz-5GHz，使用计算机上的信号源控制上位机软件来实现微波信号功率和频率值的调节。
进一步的，正弦波发生器产生低频正弦波调制信号，由精密振荡集成电路ICL8038实现；微波信号源产生射频微波载波信号，由高性能RF合成器LMX2582集成实现；双边带调幅微波信号是通过四象限射频乘法调制器调制而成，乘法调制器由ADL5391芯片实现。
进一步的，微波发射天线和微波接收天线均使用平衡对踵式Vivaldi平面端射天线。两天线均通过标准SMA接口与其它模块连接，两天线端口的指向一致，主极化方向也一致。天线的接收功率与发射功率及收、发天线之间的距离有关，具体的如式1所示
式(1)中，G表示天线增益，λ表示波长，r表示收发天线之间的距离，Pt表示发射天线的发射功率，Pr表示接收天线的接收功率。
进一步的，微波敏感元件具体为纳米级MgO势垒层磁隧道结，对其馈入带有直流偏置电流的射频信号，直流偏置电流的加载使用T型偏置器来实现。
进一步的，通过加载平台对磁隧道结加载平面内短轴方向磁场，所述加载平台为空心框架结构，在加载平台的两侧各装配一块25mm*25mm*5mm的方形铁永磁体，中空处插入装配有磁隧道结的PCB块，加载平台底部设有4个用作固定的安装孔，加载平台材质为6061铝材。
进一步的，信号检波、放大部分的具体实现为：使用射频肖特基二极管HSMS-2852进行检波，使用低噪声运算放大器AD8599来进行信号放大和带通滤波；信号整流及调理部分具体实现为：使用快速开关二极管1N4148来进行低频信号的整流，使用高输入阻抗运算放大器CA3140来进行信号调理电路的集成。
进一步的，数据采集电路部分使用MSC1210芯片来实现ADC模数转换器和MCU单片机，通过USB总线与计算机进行数据传输，通过LabVIEW软件面板进行输出电压显示，并通过线性拟合得到输出电压与检测微波功率之间的线性关系，进而实现微波功率的检测。
本发明的有益效果是：
(1)不同于传统的基于MEMS技术的热电式微波功率探测器和肖特基二极管微波功率检测器，本发明中的一种高灵敏度的微波功率检测系统使用自旋纳米器件MgO势垒层磁隧道结来作为微波敏感元件并对其加载面内短轴方向磁场以及直流偏置电流作用，基于磁隧道结的隧穿磁电阻效应和自旋转移力矩效应来实现微弱微波信号的探测，能极大的提高微波功率检测灵敏度。
(2)本发明中的一种高灵敏度的微波功率检测系统通过设计并使用稳定性好、噪声小的微波信号检测、检波放大及调理电路，同时兼顾宽频带特点，相比于传统的微波功率检测系统具有更高的检测灵敏度和精度，并且磁隧道结敏感元件具有可替换性，可以被替换为其它的微波敏感元件，例如射频肖特基二极管，将其应用在本发明的一种高灵敏度的微波功率检测系统后其微波检测灵敏度同样远超市场上同类型敏感元件的微波功率检测器件的灵敏度。
(3)本发明中的一种高灵敏度的微波功率检测系统使用平衡对踵式Vivaldi平面端射天线，具有端射性能好、时域特性稳定，易于集成等特点，其次系统内各组成部分先进行模块化集成，再整体封装装箱，具有尺寸小，结构简单，便于携带等优势。
附图说明
图1是本发明中高灵敏度的微波功率检测系统的系统原理图；
图2是本发明中高灵敏度的微波功率检测系统的系统组成结构示意图；
图3是本发明中磁隧道结的磁场加载平台结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图2所示，本发明所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，包括微波发射模块(A)，具体的如(1)、(2)、(3)、(4)所示；微波接收模块(B)，具体的如(5)、(6)、(7)所示；磁隧道结敏感元件(C)，具体的如(9)所示；功率检测电路(D)，具体的如(10)、(11)所示；信号调理电路(E)，具体的如(12)所示；数据采集模块(F)，具体的如(13)、(14)所示；控制微波信号及显示检测电压的计算机(G)，具体的如(15)、(16)、(17)所示。系统各部分组成的具体实施方式是：
(1)首先，使用高性能、低噪声的锁相环频率合成器LMX2582集成实现微波信号源发生模块，频率带宽高达20MHz-5GHz，本发明中使用计算机上的信号源上位机软件对微波信号的发生进行控制，可以控制微波频率在20MHz-5GHz范围内进行调节，通过不同的功率因子来对微波信号功率值进行控制。接着使用精密振荡集成电路ICL8038来制作低频正弦波发生模块，可以发生1kHz-300kHz的正弦波信号，然后使用ADL5391芯片集成四象限射频乘法调制器，本发明中的四象限射频乘法调制器带宽可达2GHz，通过微波信号源产生的射频微波信号和通过正弦波发生器产生的低频正弦波信号通过四象限射频乘法调制器进行乘法器调制得到双边带调幅信号，本发明中的微波信号源、正弦波发生器和乘法调制器均使用5V稳压电源供电。
(2)接下来，微波发射天线和微波接收天线都使用平衡对踵式Vivaldi平面端射天线。两天线均通过标准SMA接口与其它模块连接，两天线端口的指向始终保持一致，因此天线主极化方向也一致，本发明中的平衡对踵式Vivaldi平面端射天线在2GHz-4GHz的工作频带内，天线端口的散射参数幅度均在-10dB以下。
(3)然后步骤(1)中的双边带调幅信号通过步骤(2)中的平衡对踵式Vivaldi平面端射天线进行发射和接收，接收后通过T型偏置器进行直流偏置信号的加载，偏置直流的大小对微波功率检测灵敏度有影响，通过选择合适的偏置电流值可以达到较好的微波功率检测效果，本发明中的T型偏置器的工作带宽为10Hz-4200MHz。
(4)接下来，步骤(3)中通过T型偏置器输出的RF(射频)+DC(直流)偏置电流信号馈入到纳米级MgO势垒层磁隧道结，并给磁隧道结加载平面内磁场强度，不同的磁场强度大小和磁场方向也会对磁隧道结的性能有不同程度的影响。本发明中的磁场方向具体为磁隧道结面内短轴方向，磁场通过两片相对的方形铁永磁体产生，通过图3所示平台装配加载，(a)(b)处各装配一块25mm*25mm*5mm的方形铁永磁体，(c)处插入装配有磁隧道结的PCB块，加载平台底部设有4个用作固定的安装孔，加载平台材质为6061铝材。
(5)接下来，射频微波信号通过射频高线性度低噪声放大器，本发明中的射频低噪声放大器由SPF5189Z芯片实现，工作频率最高可达4GHz；接下来的信号检波、放大部分的具体实现为：使用射频肖特基二极管HSMS-2852进行检波得到低频信号，再使用低噪声运算放大器AD8599来集成进行信号放大和带通滤波；下一步的信号整流及调理部分具体实现为：使用快速开关二极管1N4148来进行低频信号的整流，使用高输入阻抗运算放大器CA3140来进行信号调理电路的集成。
(6)最后对步骤(5)中经过调理后的直流电压信号进行采集，数据采集电路部分使用MSC1210芯片来实现ADC和MCU，再通过USB总线与计算机进行数据传输，通过LabVIEW软件面板进行输出电压显示，并通过线性拟合得到输出电压与检测微波功率之间的线性关系，进而实现微波功率的检测。
Claims (8)
1.一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：包括微波发射模块(A)、微波接收模块(B)、磁隧道结敏感元件(C)、功率检测电路(D)、信号调理电路(E)、数据采集模块(F)、控制微波信号及显示检测电压的计算机(G)；
其中微波发射模块(A)包括微波信号源(1)、乘法调制器(3)、正弦波发生器(2)以及发射天线(4)，所述微波信号源(1)产生的射频微波信号和正弦波发生器(2)产生的低频正弦波信号通过乘法调制器(3)进行乘法器调制得到双边带调幅信号，最后通过发射天线(4)发射信号；
微波接收模块(B)，包括接收天线(5)、直流偏置电流信号(6)、T型偏置器(7)，所述接收天线(5)接收的信号与直流偏置电流信号(6)通过T型偏置器(7)输出的射频+直流偏置电流信号馈入到磁隧道结敏感元件(C)，并对磁隧道结加载平面内短轴方向的磁场(8)作用，
功率检测电路(D)，包括低噪声放大器(10)、信号检波、放大(11)，射频微波信号通过低噪声放大器和信号检波、放大进入信号调理电路(E)进行信号调理，信号调理电路(E)主要用来实现信号整流及调理(12)；
数据采集模块(F)，包括ADC模数转换器(13)、MCU单片机(14)，经过调理后的直流电压信号通过ADC模数转换器、MCU单片机进行采集，再通过USB总线与计算机(15)进行数据传输，通过面板(16)显示检测数据。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：微波信号源(1)是基于高性能、低噪声的锁相环频率合成器LMX2582来集成实现的，频率带宽范围是20MHz-5GHz，使用计算机(15)上的信号源控制上位机(17)软件来实现微波信号功率和频率值的调节。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：正弦波发生器(2)产生低频正弦波调制信号，由精密振荡集成电路ICL8038实现；微波信号源(1)产生射频微波载波信号，由高性能RF合成器LMX2582集成实现；双边带调幅微波信号是通过四象限射频乘法调制器调制而成，乘法调制器(3)由ADL5391芯片实现。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：微波发射天线(4)和微波接收天线(5)均使用平衡对踵式Vivaldi平面端射天线；两天线均通过标准SMA接口与其它模块连接，两天线端口的指向一致，主极化方向也一致；天线的接收功率与发射功率及收、发天线之间的距离有关，具体的如式1所示
式(1)中，G表示天线增益，λ表示波长，r表示收发天线之间的距离，Pt表示发射天线的发射功率，Pr表示接收天线的接收功率。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：磁隧道结敏感元件(C)具体为纳米级MgO势垒层磁隧道结，对其馈入带有直流偏置电流的射频信号，直流偏置电流的加载使用T型偏置器来实现。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：通过加载平台对磁隧道结加载平面内短轴方向磁场(8)，所述加载平台为空心框架结构，在加载平台的两侧各装配一块25mm*25mm*5mm的方形铁永磁体，中空处插入装配有磁隧道结的PCB块，加载平台底部设有4个用作固定的安装孔，加载平台材质为6061铝材。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：信号检波、放大部分(11)的具体实现为：使用射频肖特基二极管HSMS-2852进行检波，使用低噪声运算放大器AD8599来进行信号放大和带通滤波；信号调理电路(E)具体实现为：使用快速开关二极管1N4148来进行低频信号的整流，使用高输入阻抗运算放大器CA3140来进行信号调理电路的集成。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微波功率检测系统，其特征在于：数据采集电路部分使用MSC1210芯片来实现ADC模数转换器(13)和MCU单片机(14)，通过USB总线与计算机(15)进行数据传输，通过LabVIEW软件面板(16)进行输出电压显示，并通过线性拟合得到输出电压与检测微波功率之间的线性关系，进而实现微波功率的检测。
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