CN217901883U - 基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，探测器包括探测组件，探测组件是基于霍尔原理，通过霍尔元件进行探测，探测出的电压与霍尔元件所在的空间电磁波功率密度成正比，且与空间电磁波频率无关。探测器包括一个探测组件，探测组件包括霍尔元件，霍尔元件置于自由空间中的正交电磁场中；霍尔元件两侧边均设有金属涂层；金属涂层向外引出有金属引线；正交电磁场中的电场与金属涂层平行，正交电磁场中的磁场与霍尔元件垂直；金属引线的引出电压与其所在的空间电磁波功率密度成正比。探测器还具有全向性，这时探测器包括三个探测组件。本实用新型基于霍尔原理进行自由空间微波测量；结构简单、合理，具有宽频特性，整体成本不高。

Description

基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器

技术领域

本实用新型涉及微波测量领域，尤其在宽带全向微波功率密度以及场强测试领域具有广泛应用前景。具体涉及基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器。

背景技术

在自由空间微波测量领域，常用方法是采用天线接收微波信号，再由检波器检波后得到直流信号来对空间中功率密度和场强进行测量。该技术路线有两大缺点：一是天线具有频率特性，很难做到宽频带内天线效率一致，目前市场上场强仪nadar和森馥的宽频带探头对天线做了大量的加载和调试处理，因此探头价格非常昂贵，在10万人民币以上。二是电压引出线也相当于天线的一部分，因此需要对引出线进行高频滤波处理，也增加了成本和技术难度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是在自由空间微波测量领域，现有的微波功率探测(如图1所示)是采用天线接收微波信号，再由检波器检波后得到直流信号来对空间中功率密度和场强进行测量。该技术路线的天线具有频率特性，很难做到宽频带内天线效率一致，目前市场上的宽带场强仪nadar和森馥的宽频带探头对天线做了大量的加载和调试处理，因此探头价格非常昂贵，在10万人民币以上。

本实用新型目的在于提供基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，本实用新型结构用霍尔元件代替了传统方案的天线加检波器的模式，本探测器基于霍尔原理进行自由空间微波测量，霍尔元件取代传统的天线加检波器方案，不仅结构简单，且无需对天线加载就能得到宽频相应，如图2和图3所示。本实用新型结构简单、合理，具有宽频特性，且探测器整体成本不高。

本实用新型通过下述技术方案实现：

基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，所述探测器包括探测组件，所述探测组件是基于霍尔原理，通过霍尔元件进行探测，探测出的电压与霍尔元件所在的空间电磁波功率密度成正比，且与空间电磁波频率无关。本实用新型结构简单、合理，具有宽频特性，且探测器整体成本不高。

本实用新型考虑到霍尔效应(Hall effect)是指当半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。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。在工业上广泛使用的霍尔传感器的电流为固定值，用于测量磁场。本实用新型将霍尔效应应用于空间微波测量领域，基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其作用于半导体的电场和磁场都由自身的正交电磁场提供，霍尔电压正比于自身的正交电磁场功率密度，霍尔电压与频率无关，在宽带检测领域相比于现在的技术路线有优势，具有广泛的运用前景。

作为进一步地优选方案，所述探测器包括一个探测组件，所述探测组件包括霍尔元件，所述霍尔元件置于自由空间中的正交电磁场中；所述霍尔元件两侧边均设置有金属涂层；所述金属涂层向外引出有金属引线；

所述正交电磁场中的微波正向射入霍尔元件，即所述正交电磁场中的电场与所述金属涂层平行，所述正交电磁场中的磁场与所述霍尔元件垂直；所述金属引线的引出电压与其所在的空间电磁波功率密度成正比。

作为进一步地优选方案，所述探测器包括三个探测组件，所述探测组件包括霍尔元件，所述霍尔元件置于自由空间中的正交电磁场中；所述霍尔元件两侧边均设置有金属涂层；所述金属涂层向外引出有金属引线；

三个所述探测组件分别通过非金属固定外壳固定在xy平面，yz平面和xz平面；三个所述探测组件互相垂直。

作为进一步地优选方案，三个所述探测组件分别接收自由空间中任意方向的电磁波；所述探测器具有全向性。即所述探测器可以接收来自任何方向的电磁波，电磁波功率密度可由三个组件测到的三个电压值计算得到。

作为进一步地优选方案，所述金属涂层的厚度为5微米至15微米之间。

作为进一步地优选方案，所述金属涂层采用铜材质。

作为进一步地优选方案，所述探测组件还包括低通滤波器和放大器，所述低通滤波器的输入端连接金属引线的输出端，所述低通滤波器的输出端连接放大器的输入端，所述放大器的输出端作为探测器探测的霍尔电压输出信号。

作为进一步地优选方案，所述低通滤波器采用RC低通滤波器。

作为进一步地优选方案，所述霍尔元件为具有霍尔效应的器件。具体地，所述霍尔元件包括金属薄片或者半导体。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，是基于霍尔原理进行自由空间微波测量，探测出的电压与霍尔元件所在的空间电磁波功率密度成正比，且与空间电磁波频率无关。本实用新型结构简单、合理，具有宽频特性，且探测器整体成本不高。

2、本实用新型基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，基于探测组件得到的与微波功率成正比的电压信号，经引线输入到低通滤波器，滤除引线上的干扰信号。再经过放大器将直流霍尔电压放大，使电压放大到便于测量的大小；后续可以对应霍尔电压计算或查表得到对应的微波功率；本探测器实用简单、方便。

3、本实用新型基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，具有宽带特性，第二种实施方式由于xy,yz和xz平面分别放置了探测组件，本实用新型探测器接收来自不同方向相同功率的电磁波时，有三组电压计算得到的功率密度不受电磁波入射方向影响，因此本实用新型的微波功率探测器具有全向性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为传统自由空间微波探测器的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器的结构示意图。

图3为本实用新型实施例2基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器的结构示意图。

图4为本实用新型实施例3基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器的结构示意图一。

图5为本实用新型实施例3基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器的结构示意图二。

附图标记及对应的零部件名称：

1-霍尔元件，2-金属涂层，3-金属引线，4-低通滤波器，5-放大器，6-非金属固定外壳。

具体实施方式

在下文中，可在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所实用新型的功能、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，如在本实用新型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。

在本实用新型的各种实施例中，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。

在本实用新型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，在不脱离本实用新型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。

在本实用新型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实用新型的各种实施例。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)具有与本实用新型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，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图2所示，本实用新型基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，所述探测器包括探测组件，所述探测组件是基于霍尔原理，通过霍尔元件进行探测，探测出的电压与霍尔元件所在的空间电磁波功率密度成正比，且与空间电磁波频率无关。且具有宽带特性。

本实用新型将霍尔效应应用于空间微波测量领域，基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其作用于半导体的电场和磁场都由外部提供，霍尔电压正比于自身的正交电磁场功率密度，霍尔电压与频率无关，在宽带检测领域相比于现在的技术路线有优势，具有广泛的运用前景。

本技术方案的自由空间微波功率探测器是基于霍尔效应原理进行自由空间微波测量，探测出的电压与霍尔元件所在的空间电磁波功率密度成正比，且与空间电磁波频率无关。本实用新型结构简单、合理，具有宽频特性，且探测器整体成本不高。

具体实施时，本实施例以一个探测组件来实施，正交电磁场中的微波正向射入霍尔元件1；具体如下：

如图2所示，所述探测器包括一个探测组件，所述探测组件包括霍尔元件1，所述霍尔元件1采用半导体或金属薄片；所述霍尔元件1置于自由空间中的正交电磁场中；所述霍尔元件1两侧边均设置有金属涂层2；所述金属涂层2向外引出有金属引线3；

所述正交电磁场中的微波正向射入霍尔元件1，即所述正交电磁场中的微波正向射入霍尔元件1，所述正交电磁场中的电场与所述金属涂层2平行，所述正交电磁场中的磁场与所述霍尔元件1垂直；所述金属引线3的引出电压与其所在的空间电磁波功率密度成正比。

本实施例中，所述金属涂层2的厚度为5微米至15微米之间。

本实施例中，所述金属涂层2采用铜材质。

工作原理是：基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器的原理是考虑平面电磁波入射到一个霍尔元件(比如，半导体薄片)上，电磁波的电场在x方向，磁场在y方向，平面电磁波向z方向传播。半导体薄片的尺寸远小于电磁波的波长，近似认为半导体器件各处电场和磁场相同；经过推理得出霍尔电压正比于微波功率密度或者微波功率，且霍尔电压与频率无关。

本实用新型在垂直于半导体薄片的磁场分量B和平行于金属涂层2和半导体薄片的电场E作用下，半导体薄片内的自由电子在洛伦兹力的作用下在发生定向漂移，在金属涂层2的两侧分别累计电子和正电荷，从而在金属涂层2的两侧形成电位差，即出现霍尔电场，使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外，还受到霍尔电场的作用力，此力阻止电荷继续积累。随着金属涂层2的两侧积累电荷的增加，霍尔电场增加，电子受到的电场力也增加，当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反时达到平衡状态。此时金属涂层2的两侧压差为Vs，该电压Vs正比于半导体薄片所处的微波功率密度，且与频率无关，该电压Vs由金属引线3输出。因此，本探测器测出霍尔电压，后续可以对应霍尔电压计算或查表得到对应的微波功率；本探测器实用简单、方便。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述探测组件还包括低通滤波器4和放大器5，所述低通滤波器4的输入端连接金属引线3的输出端，所述低通滤波器4的输出端连接放大器5的输入端，所述放大器5的输出端作为探测器探测的霍尔电压输出信号；

所述低通滤波器4，用于接收探测组件的金属引线3的引出电压，并输出滤波后的电压信号至放大器5；

所述放大器5，用于接收滤波后的电压信号，并输出放大后的霍尔电压信号。

本实施例中，所述低通滤波器4采用RC低通滤波器，所述放大器5采用普通运算放大器即可；并且低通滤波器4、放大器5均为现有技术的器件即可，在此不再详细说明。

本实用新型探测组件得到的与微波功率成正比的电压信号，经引线输入到低通滤波器，滤除引线上的干扰信号。再经过放大器将直流霍尔电压放大，符号探测大小需求；后续可以对应霍尔电压计算或查表得到对应的微波功率；本探测器实用简单、方便。

实施例3

如图4、图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例以三个探测组件来实施，三个所述探测组件分别接收自由空间中任意方向的电磁波；所述探测器具有全向性。即所述探测器可以接收来自任何方向的电磁波，电磁波功率密度可由三个组件测到的三个电压值计算得到。具体如下：

如图3所示，所述探测器包括三个探测组件，所述探测组件包括霍尔元件1，所述霍尔元件1置于自由空间中的正交电磁场中；所述霍尔元件1两侧边均设置有金属涂层2；所述金属涂层2向外引出有金属引线3；

三个所述探测组件分别通过非金属固定外壳6固定在xy平面，yz平面和xz平面；三个所述探测组件互相垂直；每个所述探测组件的金属引线3的引出电压与其所在的空间电磁波功率密度成正比。

由于空间中电磁场方向并某特定的方向传播，因此本实用新型为了使该探测器具有全向性，使用了三个探测组件，分别由非金属材料固定在xy，yz和xz平面，空间电磁波功率密度与这三个探测组件测到的电压关系如：

公式所示。V_Hx，V_Hy，V_Hz分别为这三个探测组件测到的电压分量，

为一个由半导体器件决定的常数，η为自由波阻抗。根据三个探测组件测到的电压分量，由P公式计算得到微波功率密度，进而得到微波功率。

因此本实用新型的微波功率探测器具有宽带特性，另外由于xy,yz和xz平面分别放置了探测组件，该三个探测组件使本实用新型探测器可以接收任意方向电磁波，因此本实用新型的微波功率探测器具有全向性。

如图5所示，在上述图4的基础上，以三个探测组件来实施时，该探测器还包括低通滤波器4和放大器5，所述低通滤波器4的输入端连接三个探测组件对应的金属引线3的输出端，所述低通滤波器4的输出端连接放大器5的输入端，所述放大器5的输出端作为探测器探测的霍尔电压输出信号；

所述低通滤波器4，用于接收三个探测组件对应的金属引线3的引出电压，并输出滤波后的电压信号至放大器5；

所述放大器5，用于接收滤波后的电压信号，并输出放大后的霍尔电压信号。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述探测器包括探测组件，所述探测组件是基于霍尔原理，通过霍尔元件进行探测，探测出的电压与霍尔元件所在的空间电磁波功率密度成正比，且与空间电磁波频率无关；

所述探测器包括一个探测组件或三个探测组件，所述探测组件包括霍尔元件（1），所述霍尔元件（1）置于自由空间中的正交电磁场中；所述霍尔元件（1）两侧边均设置有金属涂层（2）；所述金属涂层（2）向外引出有金属引线（3）。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述探测器包括一个探测组件时，所述正交电磁场中的电场与所述金属涂层（2）平行，所述正交电磁场中的磁场与所述霍尔元件（1）垂直；所述金属引线（3）的引出电压与其所在的空间电磁波功率密度成正比。

3.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述探测器包括三个探测组件时，三个所述探测组件分别通过非金属固定外壳（6）固定在xy平面，yz平面和xz平面；三个所述探测组件互相垂直。

4.根据权利要求3所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，三个所述探测组件分别接收自由空间中任意方向的电磁波；所述探测器具有全向性。

5.根据权利要求2至4中任一所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述金属涂层（2）的厚度为5微米至15微米之间。

6.根据权利要求2至4中任一所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述金属涂层（2）采用铜材质。

7.根据权利要求2至4中任一所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述探测组件还包括低通滤波器（4）和放大器（5），所述低通滤波器（4）的输入端连接金属引线（3）的输出端，所述低通滤波器（4）的输出端连接放大器（5）的输入端，所述放大器（5）的输出端作为探测器探测的霍尔电压输出信号。

8.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述霍尔元件（1）为具有霍尔效应的器件。

9.根据权利要求8所述的基于霍尔效应的自由空间微波功率探测器，其特征在于，所述霍尔元件（1）包括金属薄片或者半导体。

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