高灵敏微波功率检测系统研究

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在无线通信、导航定位、雷达技术、环境遥感以及医学研究等领域,微波功率可用来表示信号特征、确定技术指标以及提高系统可靠性;在微波电路与系统中,微波功率可用来确定射频元器件增益、插入损耗以及隔离度等重要参数指标。然而在很多情况下需要检测的微波信号十分微弱,比如空中隐形战机侦察,不同于常规战机,隐形战机通过机身的吸波材料极大削弱了探测雷达反射波,借此来逃脱雷达的侦测;此外,在远程通讯、室内低功率无线传感器供能、环境射频和微波辐射能量的再利用等领域,同样也需要对低功率微波能量进行收集与转换,这些都对微波功率检测灵敏度提出了更高的要求。现有的超导热辐射仪可以进行微波功率的高灵敏检测,但是这种仪器只能在低温下进行工作,因此发展和研究常温下的高灵敏微波功率检测系统显得十分必要。本文在晶体管检波方法的基础上,设计了一种基于自旋电子器件Mg O势垒磁隧道结的高灵敏微波功率检测方案,搭建了一套稳定性高、噪声小并且在室温下具备实际应用功能的小型化集成高灵敏微波功率检测系统。本文首先介绍了磁隧道结的相关物理效应基础与微波敏感机制,阐述了微波功率基本检测原理、射频电路传输线理论和阻抗匹配原理,并进行了系统方案设计。在理论研究和软件仿真验证基础上提出了本文所研究系统的整体设计方案,将整个检测系统进行模块化并分别展开各个模块的深入研究和设计,最后对由各个模块单元构成的系统进行小型化集成封装和整体性能测试。实际测试结果表明,在频率为1GHz的微波辐射下,系统未装载磁隧道结时的微波功率检测灵敏度可达2082.3m V/m W,高于常规的商业肖特基二极管微波探测器的检测灵敏度,其输入分辨力高达1.161μW,输出偏值稳定性为1.383m V。可以预测,若键合磁隧道结进行实际性能测试,检测灵敏度将提高10倍以上,理论上可达到20000m V/m W的超高功率检测灵敏度水平。本系统不仅在检测灵敏度和精度等方面得到了较大提升,还具备小型化集成、能在室温下进行实际应用的优势。除了可用于高灵敏微波功率检测外,还可对本系统加以扩展用于空间距离的测量。
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