CN115097199A - 一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统 - Google Patents
一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115097199A CN115097199A CN202210866760.5A CN202210866760A CN115097199A CN 115097199 A CN115097199 A CN 115097199A CN 202210866760 A CN202210866760 A CN 202210866760A CN 115097199 A CN115097199 A CN 115097199A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hall
- coaxial
- microwave power
- microwave
- absorption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 119
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 21
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 claims description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000007707 calorimetry Methods 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
- G01R21/08—Arrangements for measuring electric power or power factor by using galvanomagnetic-effect devices, e.g. Hall-effect devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统，该探测器是在同轴线结构内的微波正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中，微波正交电磁场中的电场平行于所述霍尔模块，微波正交电磁场中的磁场垂直于所述霍尔模块；所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，所述同轴吸收式微波功率探测器通过输出信号线来测量霍尔电压，从而实现线性测量微波功率；同时将微波功率进行吸收，使其不从霍尔模块辐射出去。本发明实现了微波功率实时线性宽频测量，可测得霍尔元件的瞬态响应时间为5μs，该探测器可在1GHz‑6GHz工作，微波功率测量范围为0.1mW‑100mW；本发明可以计算得到霍尔电压与微波功率成线性关系，线性度可达99％。
Description
技术领域
本发明涉及微波测量领域，具体涉及一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统。
背景技术
目前，高功率微波的功率测量主要有两种方法：流体量热法和定向耦合器法。流体量热法通过把微波能转换成水流的热能，然后测量水温变化的方法来测量微波功率。流体量热法具有水温随微波功率线性变化的特点，测量精度一般小于20％，只能测量平均功率。由于水温变化是一个慢变化的过程，不能测量实时功率。这种方法在瞬态性，线型性，精度方面不具备优势。
定向耦合器法是通过传输线上的定向耦合器耦合出毫瓦量级的微波信号，并传输到检波二极管进行测量，再根据标定曲线可以实现高功率微波传输功率的实时测量。定向耦合器法可以给出微波功率随时间的演化趋势图，由于检波器的非线性影响，测量功率精度低，动态范围小，难以准确测量微波功率。
在大功率微波技术领域，目前不能够同时实现“线性”和“实时”测量微波功率，不能满足物理实验需求。基于量热法的测量结果，往往需要在放电结束后等待2-3分钟后才能给出，而且还没有时间分辨率；基于定向耦合器的测量结果，可实时给出功率趋势，但不能准确确定微波功率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的大功率微波测量不能够同时实现“线性”和“实时”测量微波功率，不能满足物理实验需求。本发明目的在于提供一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统，实现微波功率实时线性宽频测量。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，所述同轴吸收式微波功率探测器是在同轴线结构内的微波正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中，微波正交电磁场中的电场平行于所述霍尔模块，微波正交电磁场中的磁场垂直于所述霍尔模块；
所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，所述同轴吸收式微波功率探测器通过引出的输出信号线来测量霍尔电压，从而实现线性测量微波功率；同时将微波功率进行吸收，使其不从霍尔模块辐射出去。
工作原理是：基于在大功率微波技术领域，目前不能够同时实现“线性”和“实时”测量微波功率，不能满足物理实验需求。基于量热法的测量结果，往往需要在放电结束后等待2-3分钟后才能给出，而且还没有时间分辨率；基于定向耦合器的测量结果，可实时给出功率趋势，但不能准确确定微波功率。
本发明考虑到利用霍尔效应，霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载流子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压(霍尔电压)的现象。霍尔电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。除导体外，半导体也能产生霍尔效应，而且半导体的霍尔效应要强于导体。
本发明为了解决目前大功率微波功率测量技术中的存在的线性性能差和实时性差的问题，独辟蹊径，采用一种全新的原理来测量微波功率(不同于现有技术中的流体量热法和定向耦合器法的测量原理)，具体是利用霍尔效应来测量微波功率。推导验证如下：
本发明将霍尔器件置于微波正交电磁场中；霍尔效应产生之霍尔电压一般可表达为：
其中，I为流经导体的电流，B为施加于导体的磁场，RH为该导体材料的霍尔系数，d为导体在磁场方向上的厚度。
霍尔器件的尺寸远小于电磁波的波长，近似认为霍尔器件各处电场和磁场相同，时域表达式分别设为：
E＝E0(t)cosωt (2)
H＝H0(t)cosωt (3)
其中，ω为电磁波角频率，E0为电场幅度，H0为磁场幅度。相对于微波频率，电场和磁场幅度随时间缓慢变化。
电场在半导体霍尔器件表面附近产生电流密度：
J＝σE (4)
半导体霍尔器件内部的磁感应强度为：
B＝μH (5)
将公式(1)-(5)代入到霍尔电压表达式，得到:
其中,W为半导体霍尔器件的宽度,直流成份为:
公式(7)中，
为一个由霍尔器件决定的常数，P(t)＝E0(t)H0(t)为入射平面电磁波功率密度。
所以霍尔电压正比于微波功率。在此基础上，同轴线的微波正交正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中微波正交电磁场的电场平行于霍尔模块，微波正交电磁场的磁场垂直于霍尔模块。霍尔模块在电磁场内产生霍尔电压，通过引出的信号线可测得霍尔电压，从而可以线性测量微波功率。同时，在同轴吸收式微波功率探测器通过在同轴线结构内加入吸收负载电路板，可以将微波功率都吸收掉，使其不会从终端辐射出去。本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，实现了微波功率实时线性宽频测量。
进一步地，所述同轴吸收式微波功率探测器包括同轴线结构、信号输出端和信号输入端，所述同轴线结构的输入端连接信号输入端，所述同轴线结构的输出端连接信号输出端；
所述信号输入端，用于输入微波信号至所述同轴线结构；
所述同轴线结构，用于根据输入的微波信号，通过霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，通过引出的信号线来测量霍尔电压；同时将微波功率进行吸收，使其不从所述信号输出端辐射出去；
所述信号输出端，用于对所述霍尔电压进行测量，从而实现线性测量微波功率。
进一步地，所述同轴线结构包括同轴金属外壳，所述同轴金属外壳是一个水平放置且圆柱型的中空腔体；所述同轴金属外壳内沿中空腔体的正中轴向设置有芯线，所述芯线上从左至右依次穿入吸收负载电路板和集总参数电路板，所述吸收负载电路板和集总参数电路板之间设置有第一填充介质，所述集总参数电路板和信号输入端之间设置有第二填充介质和第三填充介质；
所述挡板、第四填充介质、吸收负载电路板、集总参数电路板、第一填充介质、第二填充介质和第三填充介质填充满所述同轴金属外壳内的中空腔体；
所述集总参数电路板通过输出信号线连接信号输出端。
进一步地，所述吸收负载电路板、集总参数电路板、第一填充介质、第二填充介质和第三填充介质的正中心均开孔且开孔大小与所述芯线的直径大小相等，所述吸收负载电路板、集总参数电路板、第一填充介质、第二填充介质和第三填充介质通过中心的开孔依次从左至右穿入所述芯线；所述吸收负载电路板、集总参数电路板、第一填充介质和第二填充介质的外径大小相等，所述第二填充介质的外径大于第三填充介质的外径；所述第三填充介质的外径大小适配信号输出端的外径大小。
进一步地，还包括挡板，所述挡板设于所述吸收负载电路板的左侧，且挡板与吸收负载电路板之间设置有第四填充介质。
所述挡板、第四填充介质、吸收负载电路板、集总参数电路板、第一填充介质、第二填充介质和第三填充介质填充满所述同轴金属外壳内的中空腔体。
以上技术方案中挡板的作用是为了屏蔽微波功率信号，在吸收负载电路板对微波功率信号有吸收残余时的进一步屏蔽处理。
进一步地，所述第一填充介质、第二填充介质、第四填充介质均是由聚丙交酯PLA材料进行3D打印的圆柱体组成，第三填充介质的材料采用聚四氟乙烯。
以上技术方案同轴线结构内用填充介质(第一填充介质、第二填充介质、第三填充介质和第四填充介质)进行封装，通过同轴线结构设计内外径尺寸和填充介质的介电常数可以达到所需的阻抗匹配。
进一步地，所述霍尔模块包括霍尔元件、集总参数电路板和吸收负载电路板，所述集总参数电路板上集成有霍尔元件；所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压并输出；所述集总参数电路板包括集总参数元件组，所述集总参数元件组连接霍尔元件；
所述集总参数元件组包括第一集总参数元件、第二集总参数元件、第三集总参数元件和第四集总参数元件；
所述霍尔元件的数量为1个，所述霍尔元件的第一端通过第一集总参数元件连接芯线，所述霍尔元件的第二端通过第二集总参数元件接地，所述霍尔元件的第三端通过第三集总参数元件连接接地，所述霍尔元件的第四端通过第四集总参数元件接地；第二集总参数元件、第三集总参数元件和第四集总参数元件之间并联。
进一步地，所述霍尔元件的数量为2个，一个霍尔元件对应连接一个集总参数元件组，形成第一连接组和第二连接组；且所述第一连接组与第二连接组之间串联连接或者通过集总参数元件进行桥式结构连接。
以上技术方案，通过在两个霍尔元件(半导体材料)之间采用串并联电路结构，实现了霍尔电压的累加，从而增大霍尔电压信号，利于后续输出使用。
进一步地，所述霍尔元件包括金属器件或者半导体器件；具体实施时所述霍尔元件是一个形状为梯形体的器件。
第二方面，本发明又提供了一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测系统，所述探测系统包括所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器；所述探测系统还包括微波源、功率计、微伏电压表、低噪声放大器和存储示波器；
所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输入端连接微波源，所述微波源连接功率计；所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输出端连接微伏电压表，所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输出端还连接低噪声放大器，所述低噪声放大器连接存储示波器；
所述微波源产生微波信号，并把所述微波信号输入至所述同轴吸收式微波功率探测器，通过所述同轴吸收式微波功率探测器内的霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，并输出霍尔电压至所述微伏电压表；同时所述同轴吸收式微波功率探测器将微波功率进行吸收，使其不从信号输出端辐射出去；根据所述霍尔电压，通过功率计获取微波功率；
所述同轴吸收式微波功率探测器还输出霍尔电压至所述低噪声放大器进行放大处理，并输出放大处理后的霍尔电压至存储示波器。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，采用一种全新的原理来测量微波功率(不同于现有技术中的流体量热法和定向耦合器法的测量原理)，具体是利用霍尔效应来测量微波功率，霍尔电压正比于微波功率。在此基础上，同轴线的微波正交正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中微波正交电磁场的电场平行于霍尔模块，微波正交电磁场的磁场垂直于霍尔模块。霍尔模块在电磁场内产生霍尔电压，通过引出的信号线可测得霍尔电压，从而可以线性测量微波功率。同时，在同轴吸收式微波功率探测器通过在同轴线结构内加入吸收负载电路板，可以将微波功率都吸收掉，使其不会从终端辐射出去。本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，实现了微波功率实时线性宽频测量。
2、本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，同轴线结构内用填充介质进行封装，通过同轴线结构设计内外径尺寸和填充介质的介电常数可以达到所需的阻抗匹配。
3、本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，通过在两个霍尔元件(半导体材料)之间采用串并联电路结构，实现了霍尔电压的累加，从而增大霍尔电压信号。通过增加滤波电路，滤掉交流信号，保留直流信号，从而使线性度变好。通过在同轴线结构内加入吸收负载电路板，可以将微波功率都吸收掉，使其不会从终端辐射出去。
4、本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测系统，微波源向所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器发射微波信号，功率计可测得微波源发射的微波功率，所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器内的霍尔元件产生霍尔电压，并由输出信号线传到微伏电压表进行霍尔电压测量，同时输出的霍尔电压还通过低噪声放大器将信号放大再传输到存储示波器，可测得霍尔元件的瞬态响应时间为5μs，通过观察功率计可得微波功率测量范围为0.1mW-100mW，通过观察微伏电压表的电压值随微波源频率的变化情况，发现该探测器可在1GHz-6GHz工作；通过观察电压值随微波功率的变化关系，可以计算得到霍尔电压与微波功率成线性关系，线性度可达99％。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器结构示意图。
图2为本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器详细结构示意图。
图3为本发明一个霍尔元件与集总参数电路板连接示意图。
图4为本发明两个霍尔元件与集总参数电路板连接示意图。
图5为本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测系统结构示意图。
1-信号输出端，2-同轴线结构，3-信号输入端，4-同轴金属外壳，5-芯线，6-吸收负载电路板，7-集总参数电路板，71-第一集总参数元件，72-第二集总参数元件，73-第三集总参数元件，74-第四集总参数元件，8-第一填充介质，9-第二填充介质，10-第三填充介质，11-输出信号线，12-挡板，13-霍尔元件，14-微波源，15-功率计，16-微伏电压表，17-低噪声放大器，18-存储示波器，19-第四填充介质，20-一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图3所示，本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，所述同轴吸收式微波功率探测器是在同轴线结构内的微波正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中，微波正交电磁场中的电场平行于所述霍尔模块，微波正交电磁场中的磁场垂直于所述霍尔模块；
所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，所述同轴吸收式微波功率探测器通过引出的输出信号线来测量霍尔电压，从而实现线性测量微波功率；同时将微波功率进行吸收，使其不从霍尔模块辐射出去。
本实施例中，如图1所示，所述同轴吸收式微波功率探测器包括同轴线结构2、信号输入端3和信号输出端1，信号输入端3采用N型头，信号输出端1采用Q9头；所述同轴线结构2的输入端连接信号输入端3，所述同轴线结构2的输出端连接信号输出端1；具体实施时，所述同轴线结构2的输入端利用螺钉固定信号输入端3，所述同轴线结构2的输出端利用螺钉固定信号输出端1；
所述信号输入端3，用于输入微波信号至所述同轴线结构2；
所述同轴线结构2，用于根据输入的微波信号，通过霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，通过引出的信号线来测量霍尔电压；同时将微波功率进行吸收，使其不从所述信号输出端1辐射出去；
所述信号输出端1，用于对所述霍尔电压进行测量，从而实现线性测量微波功率。
以上技术方案，同轴线结构2内用填充介质进行封装，通过同轴线结构设计内外径尺寸和填充介质的介电常数可以达到所需的阻抗匹配。
本实施例中，如图2所示，所述同轴线结构2包括同轴金属外壳4，所述同轴金属外壳4是一个水平放置且圆柱型的中空腔体；所述同轴金属外壳4内沿中空腔体的正中轴向设置有芯线5，所述芯线5上从左至右依次穿入吸收负载电路板6和集总参数电路板7，所述吸收负载电路板6和集总参数电路板7之间设置有第一填充介质8，所述集总参数电路板7和信号输入端3之间设置有第二填充介质9和第三填充介质10；
所述挡板12、第四填充介质19、吸收负载电路板6、集总参数电路板7、第一填充介质8、第二填充介质9和第三填充介质10填充满所述同轴金属外壳4内的中空腔体；
所述集总参数电路板7通过输出信号线11连接信号输出端1。
其中，所述输出信号线从同轴金属外壳4一侧的线槽引出并连接信号输出端1。线槽具体是设于第一填充介质8、吸收负载电路板6、挡板12、第四填充介质19的上侧边，且槽从左至右对齐，输出信号线11从线槽里引出即可。
本实施例中，所述吸收负载电路板6、集总参数电路板7、第一填充介质8和第二填充介质9的正中心均开孔且开孔大小与所述芯线5的直径大小相等，所述吸收负载电路板6、集总参数电路板7、第一填充介质8、第二填充介质9和第三填充介质10通过中心的开孔依次从左至右穿入所述芯线5；所述吸收负载电路板6、集总参数电路板7、第一填充介质8和第二填充介质9的外径大小相等，所述第二填充介质9的外径大于第三填充介质10的外径；所述第三填充介质10的外径大小适配信号输入端3的外径大小。
本实施例中，还包括挡板12，所述挡板12设于所述吸收负载电路板6的左侧，且挡板12与吸收负载电路板6之间设置有第四填充介质19。
以上技术方案中挡板12的作用是为了屏蔽微波功率信号，在吸收负载电路板6对微波功率信号有吸收残余时的进一步屏蔽处理。
本实施例中，所述第一填充介质8、第二填充介质9、第四填充介质19均是由聚丙交酯PLA材料进行3D打印的圆柱体组成，第三填充介质10的材料采用聚四氟乙烯。
以上技术方案同轴线结构2内用填充介质(第一填充介质8、第二填充介质9、第三填充介质10和第四填充介质19)进行封装，通过同轴线结构设计内外径尺寸和填充介质的介电常数可以达到所需的阻抗匹配。
本实施例中，所述霍尔模块包括霍尔元件13、集总参数电路板7和吸收负载电路板6，所述集总参数电路板7上集成有霍尔元件13；所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压并输出；所述集总参数电路板7包括集总参数元件组，所述集总参数元件组连接霍尔元件13；
本实施例中，所述霍尔元件包括金属器件或者半导体器件；具体实施时所述霍尔元件是一个形状为梯形体的器件。
具体实施时，所述同轴吸收式微波功率探测器包括同轴线结构2、信号输入端3和信号输出端1，所述同轴线结构2包括同轴金属外壳4、芯线5、吸收负载电路板6、集总参数电路板7、第一填充介质8、第二填充介质9、第三填充介质10、输出信号线11、挡板12和霍尔元件13，霍尔元件13的数量为1个。
同轴线结构2内用填充介质进行封装，通过同轴线结构设计内外径尺寸和填充介质的介电常数可以达到所需的阻抗匹配。输出信号线从同轴金属外壳4一侧的线槽引出并连接信号输入端3。地线通过与同轴线金属外壳相连来接地。霍尔模块由霍尔元件(半导体材料)、集总参数电路板、吸收负载电路板组成。其中吸收负载电路板上的集总参数元件通过串并联的方式连接。集总参数电路板包含了滤波电路，如图3所示。图3显示了一个霍尔元件(半导体材料)与集总参数电路板连接方式。
图3中，所述集总参数元件组包括第一集总参数元件71、第二集总参数元件72、第三集总参数元件73和第四集总参数元件74；所述霍尔元件13的第一端通过第一集总参数元件71连接芯线5，所述霍尔元件13的第二端通过第二集总参数元件72接地，所述霍尔元件13的第三端通过第三集总参数元件73连接接地，所述霍尔元件13的第四端通过第四集总参数元件74接地；第二集总参数元件72、第三集总参数元件73和第四集总参数元件74之间并联。
其中，第一集总参数元件71可以直接用导线替代，第二集总参数元件72采用电阻，第三集总参数元件73可以直接用导线替代，第四集总参数元件74采用电感。当然，所述集总参数元件组中的集总参数元件可以采用电阻、电感或者电容来具体实施。
工作原理是：基于在大功率微波技术领域，目前不能够同时实现“线性”和“实时”测量微波功率，不能满足物理实验需求。基于量热法的测量结果，往往需要在放电结束后等待2-3分钟后才能给出，而且还没有时间分辨率；基于定向耦合器的测量结果，可实时给出功率趋势，但不能准确确定微波功率。
本发明为了解决目前大功率微波功率测量技术中的存在的线性性能差和实时性差的问题，独辟蹊径，采用一种全新的原理来测量微波功率(不同于现有技术中的流体量热法和定向耦合器法的测量原理)，具体是利用霍尔效应来测量微波功率，霍尔电压正比于微波功率。在此基础上，同轴线的微波正交正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中微波正交电磁场的电场平行于霍尔模块，微波正交电磁场的磁场垂直于霍尔模块。霍尔模块在电磁场内产生霍尔电压，通过引出的信号线可测得霍尔电压，从而可以线性测量微波功率。同时，在同轴吸收式微波功率探测器通过在同轴线结构内加入吸收负载电路板，可以将微波功率都吸收掉，使其不会从终端辐射出去。本发明一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，实现了微波功率实时线性宽频测量。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述霍尔元件13的数量为2个，一个霍尔元件13对应连接一个集总参数元件组，形成第一连接组和第二连接组；且所述第一连接组与第二连接组之间串联连接或者通过集总参数元件进行桥式结构连接。
图4显示了两个霍尔元件(半导体材料)与集总参数电路板连接方式。本实施例技术方案，通过在两个霍尔元件(半导体材料)之间采用串并联电路结构，实现了霍尔电压的累加，从而增大霍尔电压信号，利于后续输出使用。
通过在两个霍尔元件(半导体材料)之间采用串并联电路结构，实现了霍尔电压的累加，从而增大霍尔电压信号。通过增加滤波电路，滤掉交流信号，保留直流信号，从而使线性度变好。通过在同轴线结构内加入吸收负载电路板，可以将微波功率都吸收掉，使其不会从终端辐射出去。
实施例3
如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例又提供了一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测系统，所述探测系统包括实施例1或者实施例2所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器20；所述探测系统还包括微波源14、功率计15、微伏电压表16、低噪声放大器17和存储示波器18；
所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输入端连接微波源14，所述微波源14连接功率计15；所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输出端连接微伏电压表16，所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输出端还连接低噪声放大器17，所述低噪声放大器17连接存储示波器18；
所述微波源14产生微波信号，并把所述微波信号输入至所述同轴吸收式微波功率探测器，通过所述同轴吸收式微波功率探测器内的霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，并输出霍尔电压至所述微伏电压表16；同时所述同轴吸收式微波功率探测器将微波功率进行吸收，使其不从信号输出端1辐射出去；根据所述霍尔电压，通过功率计15获取微波功率；
所述同轴吸收式微波功率探测器还输出霍尔电压至所述低噪声放大器17进行放大处理，并输出放大处理后的霍尔电压至存储示波器18。
如图5所示，微波源14向所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器20发射微波信号，功率计15可测得微波源发射的微波功率，所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器20内的霍尔元件13产生霍尔电压，并由输出信号线11传到微伏电压表16进行霍尔电压测量，同时输出的霍尔电压还通过低噪声放大器17将信号放大再传输到存储示波器18，可测得霍尔元件的瞬态响应时间为5μs，通过观察功率计15可得微波功率测量范围为0.1mW-100mW，通过观察微伏电压表16的电压值随微波源频率的变化情况，发现该探测器可在1GHz-6GHz工作；通过观察电压值随微波功率的变化关系，可以计算得到霍尔电压与微波功率成线性关系，线性度可达99％。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述同轴吸收式微波功率探测器是在同轴线结构内的微波正交电磁场内嵌入一个具有吸收负载功能的霍尔模块，其中，微波正交电磁场中的电场平行于所述霍尔模块，微波正交电磁场中的磁场垂直于所述霍尔模块；
所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，所述同轴吸收式微波功率探测器通过输出信号线来测量霍尔电压，从而实现线性测量微波功率；同时将微波功率进行吸收，使其不从霍尔模块辐射出去。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述同轴吸收式微波功率探测器包括同轴线结构(2)、信号输入端(3)和信号输出端(1)，所述同轴线结构(2)的输入端连接信号输入端(3)，所述同轴线结构(2)的输出端连接信号输出端(1)；
所述信号输入端(3)，用于输入微波信号至所述同轴线结构(2)；
所述同轴线结构(2)，用于根据输入的微波信号，通过霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，通过引出的信号线来测量霍尔电压；同时将微波功率进行吸收，使其不从所述信号输出端(1)辐射出去；
所述信号输出端(1)，用于对所述霍尔电压进行测量，从而实现线性测量微波功率。
3.根据权利要求2所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述同轴线结构(2)包括同轴金属外壳(4)，所述同轴金属外壳(4)是一个水平放置且圆柱型的中空腔体；所述同轴金属外壳(4)内沿中空腔体的正中轴向设置有芯线(5)，所述芯线(5)上从左至右依次穿入吸收负载电路板(6)和集总参数电路板(7)，所述吸收负载电路板(6)和集总参数电路板(7)之间设置有第一填充介质(8)，所述集总参数电路板(7)和信号输入端(3)之间设置有第二填充介质(9)和第三填充介质(10)；
所述吸收负载电路板(6)、集总参数电路板(7)、第一填充介质(8)、第二填充介质(9)和第三填充介质(10)填充满所述同轴金属外壳(4)内的中空腔体；
所述集总参数电路板(7)通过输出信号线(11)连接信号输出端(1)。
4.根据权利要求3所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述吸收负载电路板(6)、集总参数电路板(7)、第一填充介质(8)、第二填充介质(9)和第三填充介质(10)的正中心均开孔且开孔大小与所述芯线(5)的直径大小相等，所述吸收负载电路板(6)、集总参数电路板(7)、第一填充介质(8)和第二填充介质(9)和第三填充介质(10)通过中心的开孔依次从左至右穿入所述芯线(5)；所述吸收负载电路板(6)、集总参数电路板(7)、第一填充介质(8)和第二填充介质(9)的外径大小相等，所述第二填充介质(9)的外径大于第三填充介质(10)的外径；所述第三填充介质(10)的外径大小适配信号输出端(1)的外径大小。
5.根据权利要求3所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，还包括挡板(12)，所述挡板(12)设于所述吸收负载电路板(6)的左侧，且挡板(12)与吸收负载电路板(6)之间设置有第四填充介质(19)；
所述挡板(12)、第四填充介质(19)、吸收负载电路板(6)、集总参数电路板(7)、第一填充介质(8)、第二填充介质(9)和第三填充介质(10)填充满所述同轴金属外壳(4)内的中空腔体。
6.根据权利要求5所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述第一填充介质(8)、第二填充介质(9)和第四填充介质(19)均是由聚丙交酯PLA材料进行3D打印的圆柱体组成，第三填充介质(10)的材料采用聚四氟乙烯。
7.根据权利要求3所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述霍尔模块包括霍尔元件(13)、集总参数电路板(7)和吸收负载电路板(6)，所述集总参数电路板(7)上集成有霍尔元件(13)；所述霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压并输出；所述集总参数电路板(7)包括集总参数元件组，所述集总参数元件组连接霍尔元件(13)；
所述集总参数元件组包括第一集总参数元件(71)、第二集总参数元件(72)、第三集总参数元件(73)和第四集总参数元件(74)；
所述霍尔元件(13)的数量为1个，所述霍尔元件(13)的第一端通过第一集总参数元件(71)连接芯线(5)，所述霍尔元件(13)的第二端通过第二集总参数元件(72)接地，所述霍尔元件(13)的第三端通过第三集总参数元件(73)连接接地，所述霍尔元件(13)的第四端通过第四集总参数元件(74)接地；第二集总参数元件(72)、第三集总参数元件(73)和第四集总参数元件(74)之间并联。
8.根据权利要求7所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述霍尔元件(13)的数量为2个，一个霍尔元件(13)对应连接一个集总参数元件组，形成第一连接组和第二连接组；且所述第一连接组与第二连接组之间串联连接或者通过集总参数元件进行桥式结构连接。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器，其特征在于，所述霍尔元件包括金属器件或者半导体器件。
10.一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测系统，其特征在于，所述探测系统包括如权利要求1至9中任一所述的一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器；所述探测系统还包括微波源(14)、功率计(15)、微伏电压表(16)、低噪声放大器(17)和存储示波器(18)；
所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输入端连接微波源(14)，所述微波源(14)连接功率计(15)；所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输出端连接微伏电压表(16)，所述同轴吸收式微波功率探测器的信号输出端还连接低噪声放大器(17)，所述低噪声放大器(17)连接存储示波器(18)；
所述微波源(14)产生微波信号，并把所述微波信号输入至所述同轴吸收式微波功率探测器，通过所述同轴吸收式微波功率探测器内的霍尔模块在微波正交电磁场内产生霍尔电压，并输出霍尔电压至所述微伏电压表(16)；同时所述同轴吸收式微波功率探测器将微波功率进行吸收，使其不从信号输出端(1)辐射出去；根据所述霍尔电压，通过功率计(15)获取微波功率；
所述同轴吸收式微波功率探测器还输出霍尔电压至所述低噪声放大器(17)进行放大处理，并输出放大处理后的霍尔电压至存储示波器(18)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210866760.5A CN115097199B (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210866760.5A CN115097199B (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115097199A true CN115097199A (zh) | 2022-09-23 |
| CN115097199B CN115097199B (zh) | 2024-06-04 |
Family
ID=83299678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210866760.5A Active CN115097199B (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115097199B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3760271A (en) * | 1971-06-07 | 1973-09-18 | Holaday Ind Inc | Microwave survey meter |
| US4733170A (en) * | 1985-05-28 | 1988-03-22 | Marconi Instruments Limited | Microwave power sensors |
| CN106990284A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-28 | 电子科技大学 | 一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法 |
| CN108508267A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-09-07 | 东南大学 | 基于固支梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪 |
| CN108594006A (zh) * | 2018-03-28 | 2018-09-28 | 南京邮电大学 | 基于霍尔效应的微波功率传感器 |
-
2022
- 2022-07-22 CN CN202210866760.5A patent/CN115097199B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3760271A (en) * | 1971-06-07 | 1973-09-18 | Holaday Ind Inc | Microwave survey meter |
| US4733170A (en) * | 1985-05-28 | 1988-03-22 | Marconi Instruments Limited | Microwave power sensors |
| CN106990284A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-28 | 电子科技大学 | 一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法 |
| CN108508267A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-09-07 | 东南大学 | 基于固支梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪 |
| CN108594006A (zh) * | 2018-03-28 | 2018-09-28 | 南京邮电大学 | 基于霍尔效应的微波功率传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115097199B (zh) | 2024-06-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5424220B2 (ja) | 受動相互変調ひずみの測定方法および測定システム | |
| Hu et al. | Design of ultrawideband energy-selective surface for high-power microwave protection | |
| Metwally | Performance improvement of slow-wave Rogowski coils for high impulse current measurement | |
| Wang et al. | Design of an effective antenna for partial discharge detection in insulation systems of inverter-fed motors | |
| Yang et al. | An equivalent circuit model to analyze passive intermodulation of loose contact coaxial connectors | |
| JP2017051085A (ja) | アクティブノイズ抑制装置 | |
| Metwally | Novel designs of wideband Rogowski coils for high pulsed current measurement | |
| Han et al. | Hybrid PCB Rogowski coil for measurement of nanosecond-risetime pulsed current | |
| Zeidi et al. | Partial discharge detection with on-chip spiral inductor as a loop antenna | |
| Takahashi et al. | Simulation of shielding performance against near field coupling to EMI filter for power electronic converter using FEM | |
| Djuric et al. | A compact planar transformer with an improved winding configuration | |
| CN205263204U (zh) | 瞬态电场传感器 | |
| Chakravarthi et al. | A compact log periodic planar dipole UHF array sensor for partial discharge measurements | |
| CN115097199A (zh) | 一种基于霍尔效应的同轴吸收式微波功率探测器及系统 | |
| Weber et al. | Measurement techniques for conducted HPEM signals | |
| CN113009254B (zh) | 一种大功率高线性度的电流注入探头 | |
| Huang et al. | Using a single toroidal sample to determine the intrinsic complex permeability and permittivity of Mn–Zn ferrites | |
| Metwally | Measurement of high pulsed currents through plates by novel linear side-looking coils | |
| CN217820578U (zh) | 一种基于霍尔效应的同轴通过式微波功率探测器及系统 | |
| De Polli et al. | Finite element analysis of impedance of an electron beam current monitor | |
| CN110531285B (zh) | 一种多间隙瞬态磁场传感器 | |
| RU2693517C1 (ru) | Сверхширокополосный преобразователь напряжённости магнитного поля | |
| Fu et al. | Broadband pulse injection probe with improved injection efficiency for conducted electromagnetic susceptibility test | |
| Richter et al. | Antenna factor determination of a shielded standard loop antenna | |
| JP2011169731A (ja) | ノイズ測定用ケーブル及びノイズ測定装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |