微波传感器

传感器综述

1、微波传感器

微波传感器是继超声波、激光、红外等传感器之后的一种新型非接触传感器。微波是波长介于红外线和雷达波之间的电磁辐射，频率在1010Hz 和1011Hz 之间，具有电磁波的性质，广泛应用于通信、传感、雷达、导弹制导、遥感、射电等方面[1]。近年来,国外利用微波频段电磁波的特性,研制生产了大量用放非电参量的检测和无损伤探测方面的微波传感器,工作十分引人注目[2]。在很多方面显示出优越性，一般可以概括为以下几方面[3]：

1、测量具有不接触、非破坏性,因而可以进行活体检测,大部分测量不需

要取样。

2、快速性、灵敏度高,捕捉信息几乎不需要时间,可以进行在线检测、动

态检测和适时处理,进而实现动态自动控制。

3、能够适应恶劣环境下的检测。如

4、高温、高压、有毒、放射性环境以及恶劣

5、天气、人所不能及之处等等。

长期以来,传感器的电检测技术基本上局限于低频和光频两个频段并从集总电路参数和电压、电流的观点来研究各种传感器的性能,很少使用它们之间的微波频段并从电磁波的角度来研究传感器。随着这一领域的开拓和发展,不仅为传感器增加了新的分支和新的品种,而且也为微波半导体器件和微波集成电路开辟了新的应用前景[4]。

1.1、微波传感器原理

电磁波包括的频谱范围极宽,它们的特性因频率不同而各异。微波是频率很高的电磁波,它的低端频率为300MHz,高端可达300GHz。微波具有一系列特性,用来进行非电参量的无损检测是很合适的[5]。首先,微波具有似光性。例如,微波具有良好的定向辐射性能,在自由空间沿直线传播且速度等于光速,在反射、折射、绕射、散射、干涉时遵循与光同样的物理定律。其次,微波能够穿透大多数非金属材料,包括许多对光波来说是不透明的材料。并且与这些材料的分子相互作用,从内部不均匀处产生反射、散射。第三,微波遇到良导体时几乎全部反射,良导体在

微波频率的趋肤深度仅几微米。第四,介质对微波的吸收正比放介质的介电系数。水的介电系数较大,对微波的吸收很强。第五,当微波被运动物体所反射时,微波的频率会变化。其频率变化的大小与运动物体的速度有关[6]。

1.2、微波检测的方法

微波传感器被大量应用在无损检测的过程中。微波无损检测的方法主要有穿透法、反射法、散射法、干涉法、断层法[7]。

1、微波穿透法一般利用微波信号源产生扫频波信号或者脉冲调制

波信号。由于透射波的幅度相位等参数可以反映被检测材料内部的状

况，所以可以依据这些参数的变化进行对待检测材料的鉴定。

2、微波穿透法一般利用微波信号源产生扫频波信号或者脉冲调制

波信号。由于透射波的幅度相位等参数可以反映被检测材料内部的状

况，所以可以依据这些参数的变化进行对待检测材料的鉴定。检测系

统如下图所示：

图1 系统框图

3、反射法是利用被检试件表面和内部所反射的微波对试件进行检

测的方法。反射计系统的微波信号由微波信号源产生，以通过调节可

变衰减器进而对输出功率的大小进行控制。定向耦合器主要实现按照

特定的比例对入射波和反射波进行采样的功能。检波器实现转换微波

信号的功能，因为一般指示仪器只能工作在直流信号或者低频信号环

境下。

4、散射法检测系统所采用的收发传感器可以依据信号强弱进行角

度的调整，通过对微波信号源输出的信号与检波器接收信号进行对比，

确定所测试的产品的散射特性，进而对待测件的内部缺陷进行评估。

5、驻波干涉法检测系统主要是用驻波测量线测量驻波的幅度以及

相位的相对变化。微波信号源的频率范围为12.4GHz-18GHz。收发两

用探头不接触试件表面，如果被检测的材料发生物理或者化学变化，

将引起驻波幅度或者相位的相应变化。微波全息技术也属于微波干涉

检测法的范畴，这是一种结合了光学全息照相术的方法。

6、微波计算机断层成像技术是当下新兴发展起来的微波检测技术。

断层成像技术是一种不破坏物体构造的成像技术，在待检测物体的外

部对某个物理量的一维投影进行获取，将一维投影重建成为无重叠的

二维图像，这样得到一系列二维图像之后，即可构建待测物体的三维

图像。

2、网络分析仪

矢量网络分析是通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号幅度与相位的影响,来精确表征元件特性的一种方法。矢量网络分析仪能对有源器件和无源器件如放大器、混频器、双工器、滤波器、耦合器和衰减器的特性进行表征,对每个端口的输入特性到其他端口的转移特性进行测量的能力,可以为设计人员在对大型系统配置元件时提供充分的依据[8]。因此,矢量网络分析仪是微波网络设计和测量最重要的测量仪器之一,已成为微波测量中必不可少的测量仪器,得到了非常广泛的应用。

2.1、基本原理

矢量网络分析仪是由激励信号源、S参数测量装置(信号分离电路)、幅相接

收机的有机结合[9]。

微波合成扫频信号源产生可以到毫米波段的激励信号,经信号分离电路分离

出DUT(被测件)的入射信号R、反射信号A和传输信号B,采用采样变频技术将上述微波信号转换成固定的中频信号,进行幅度和相位关系的测量。在频率变换过

程中,采用系统锁相技术,以保证被测网络的幅度信息和相位信息不被丢失,包含

被测网络幅度信息和相位信息的第一中频信号经中频处理电路变成为第二中频

信号,由A/D转换器转换为数字信号,内部计算机和DSP(数字信号处理器)从数字

信号中提取DUT的幅度信息和相位信息,通过比值运算求出DUT的S参数。

S 参数是微波射频领域的一种重要参数形式。它可以有效的且全方位的表示出一个器件或者网络的性能指标。S 参数能够量化的表示出一个器件或者网络的反射系数、传输系数，而且它不但能够表示出它们的标量信息，还能够将它们的矢量信息表示出来。在一个微波射频系统中，如果能够得到所有部件的S参数，那么就可以利用S参数将整个系统性能进行计算模拟。同样也可以将这些S参数的数据带入电路仿真工具中使用。

2.2、误差分析

矢量网络分析仪系统主要存在三种误差[10]。

第一种是可以被预测和测量的误差，它们被称为系统误差。在单端口的矢量网络分析仪中它主要表现为三部分，分别是内部信号分离器件的最大隔离度即内部定向耦合器的最大方向性，射频输出端口的匹配即与被测器件连接的测量端口的电压驻波比，最后是射频激励源信号通过射频通道电路转换为中频信号过程中的电路损耗。这三部分误差都可以通过测量得到并且采用矢量网络分析仪的误差校准均可以得到有效的消除。

第二种误差是不可预测和测量的，它们被称为随机误差。这部分误差即使对矢量网络分析仪进行误差校准，也不能得到消除。例如，在将被测器件与网络分析仪连接时，连接器未能完全连接；使用时间超过了网络分析仪的使用寿命，内部元器件老化产生了性能下降等。

第三种误差被称为漂移误差，这类误差也是可以通过误差校准消除的。它产生的原理是网络分析仪系统在工作一定时间后，仪器内部温度变化，已经通过误差校准消除的三部分系统误差中一部分或者全部发生了漂移。这时就需要对矢量网络分析仪重新进行误差校准。所以它的产生取决于仪器内部各个部件的工作稳定性。

参考文献：