基于頻率綜合技術(shù)的新型微波介質(zhì)檢測方法分析

摘 要：本文基于頻率綜合技術(shù)提出了一種新型微波介質(zhì)檢測方法，主要是指通過微波介質(zhì)檢測傳感器的使用，對微波介質(zhì)進(jìn)行檢測。文章首先對微波介質(zhì)檢測器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，然后闡述微波介質(zhì)檢測流程，最后對硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行研究，希望為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：頻率綜合技術(shù);新型微波介質(zhì);傳感器

介電常數(shù)是物質(zhì)的重要屬性，對其進(jìn)行研究，具有非常高的價(jià)值。近些年，介質(zhì)檢測技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，在食品、生物和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中取得了良好的應(yīng)用效果。其中，微波介質(zhì)檢測技術(shù)由于具有無損性和非接觸的特點(diǎn)，受到了人們的青睞。因此，對基于頻率綜合技術(shù)的新型微波介質(zhì)檢測方法進(jìn)行分析，其意義十分重大。

一、基于緊湊型微帶諧振單元的反射式振蕩器設(shè)計(jì)研究

本文基于緊湊型微帶諧振單元技術(shù)，設(shè)計(jì)一種反射式振蕩器，并將其應(yīng)用于頻率綜合裝置之中，可以降低介質(zhì)檢測系統(tǒng)的檢測成本和復(fù)雜程度。究其原因，主要是緊湊型微帶諧振單元技術(shù)，頻率敏感度較高，將其作為敏感元件，可以取得良好的效果。緊湊型微帶諧振單元自被研究者提出以來，通過對其帶阻進(jìn)行使用，可以對不具利用價(jià)值的頻率分量進(jìn)行抑制。與此同時(shí)，緊湊型微帶諧振單元還具有兩個(gè)方面的特性，分別為慢波性和可植入性。這兩個(gè)特性，決定了諧振單元在振蕩器中應(yīng)用，能夠使裝置電路的集成度得到提升，可以有效縮減系統(tǒng)的大小尺寸。因此，緊湊型微帶諧振單元已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于有源和無源電路中[1]。

本文所使用的反射式振蕩器原理如圖1所示。其結(jié)構(gòu)由以下部分組成：（1）晶體管;（2）諧振器;（3）偏置;（4）匹配電路。其中，電路的核心部分為晶體管。出于負(fù)阻抗產(chǎn)生的考慮，本文中使用了在phemt三級(jí)管源級(jí)串聯(lián)反饋電容方法。提供高反射系統(tǒng)是諧振器的主要功能，這樣一來，就可以使負(fù)阻式振蕩器幅度和相位要求得到滿足。偏置電路不僅可以傳輸能量，還能對電源噪聲進(jìn)行抑制，匹配電路的作用為使輸出功率得到提升。將反饋式振蕩器設(shè)計(jì)原理作為依據(jù)，想要確保振蕩輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，應(yīng)該滿足下述條件。

二、基于小數(shù)分頻鎖相環(huán)的頻率綜合器及介質(zhì)檢測流程

緊湊型微帶諧振單元作為敏感元件的使用過程，如圖2所示。在諧振單元上方放置需要檢測的介質(zhì)時(shí)，諧振單元在介質(zhì)的影響下，諧振器和振蕩器的頻率均會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化。想要在確保檢測準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，降低測量成本。故筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于小數(shù)分頻鎖相環(huán)的頻率綜合器。檢測系統(tǒng)框架如圖3所示。工作原理如下所述：二極管將兩個(gè)方向裝置與緊湊型微帶諧振單元的中間位置連接到一起，構(gòu)成了一種電壓控制振蕩器。在這個(gè)電壓控制振蕩器的振蕩頻率和偏移量，會(huì)被MUT介質(zhì)常數(shù)直接影響。這個(gè)振蕩器屬于一種穩(wěn)定頻率的系統(tǒng)，具體表現(xiàn)在振蕩器中設(shè)置了鎖相環(huán)，通過對頻率進(jìn)行鎖定，可以獲得振蕩器的最終輸出頻率為FSYS=N·FREF[2]。

如果不放置需要檢測的物質(zhì)，那么振蕩器變?nèi)莨艿膬啥说目刂齐妷壕蜁?huì)變?yōu)?。如果將不同的介電常數(shù)物質(zhì)在振蕩器上方放置，那么會(huì)導(dǎo)致振蕩器的自由振蕩頻率發(fā)生變化。此時(shí)，鎖相環(huán)會(huì)對變?nèi)莨艿目刂齐妷哼M(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并且還會(huì)讓系統(tǒng)頻率恢復(fù)到初始值。變?nèi)莨軆啥说碾妷阂矔?huì)隨之發(fā)生改變，變?yōu)閂0+△V。由于電壓和MUT相對介電常數(shù)間具有對應(yīng)的關(guān)系，那么我們僅需對變化后的電壓值進(jìn)行測量，即可準(zhǔn)確獲得介電常數(shù)的值。再加上電壓值可以使用萬能表獲取，因此，這種檢測方法與傳統(tǒng)檢測方式相比較為簡單，能夠減少矢量網(wǎng)絡(luò)分析裝置的使用，從而降低了檢測系統(tǒng)的復(fù)雜程度，檢測成本也會(huì)隨之下降。

三、硬件實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

本文采用的晶體管為AVAGO公司生產(chǎn)的ATF-343143芯片，該芯片性能顯著，且漏極電壓和柵極電壓較為穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用效果。此外，為了保證系統(tǒng)頻率的可設(shè)置性，故采用了PLL芯片，這種芯片具有非常高的頻率分辨率。與此同時(shí)，選擇了一個(gè)有源晶振為鑒頻鑒相器提供頻率，以保證頻率的穩(wěn)定性，這個(gè)有源晶振的穩(wěn)定度非常強(qiáng)。系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成，分別為VOO板和PLL板。并利用10-DB衰減器，將二者進(jìn)行連接，其目的在于，使PLL芯片的射頻輸入功率要求得到滿足。并在系統(tǒng)中配置了一個(gè)STM單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制。

介電質(zhì)介電常數(shù)和最終VCO控制電壓之間具有正相關(guān)的關(guān)系，簡言之，介電質(zhì)介電常數(shù)越高，則VCO控制電壓越大，反之則亦然。這樣一來，我們只需對VCO電壓進(jìn)行測量，就可以實(shí)現(xiàn)對材料相對介質(zhì)常數(shù)的獲取，系統(tǒng)復(fù)雜程度也會(huì)因此而降低。

四、結(jié)論

綜上所述，本文基于頻率綜合技術(shù)設(shè)計(jì)了一種振蕩傳感器，利用振蕩傳感器對微波介質(zhì)進(jìn)行檢測，可以取得良好的效果。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為尺寸較小、靈敏度較高、且檢測流程簡單、檢測成本和系統(tǒng)復(fù)雜度低等。因此，相關(guān)行業(yè)應(yīng)該重視微波介質(zhì)傳感器的設(shè)計(jì)和研究，從而促進(jìn)我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉玉，董晉峰，張國雄，等.用與門實(shí)現(xiàn)差頻測量[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2015，23（04）：20-23.

[2]楊雷，李廣明，康麗，等.基于多周期測量方法的氣壓傳感器信號(hào)采集[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2015，21（06）：56-59.

作者簡介：侯寶森（1981-），男，漢族，河南新鄭人，本科，工程師，研究方向：電子信息工程。