[发明专利]高级射频感测探针

说明书

公开了一种带有集成到缆线组件中的发射或接收元件的射频探针系统。在一些实施方案中，优选的配置可包含集成在发射或接收元件中的一个或多个感测元件。在另一个实施方案中，射频探针包括固定到同轴缆线的天线主体，其中同轴缆线的中心导体用作发射或接收元件。也公开了一种使用单个射频探针来监测、发射或检测一个或多个参数的方法。

相关申请

本申请要求提交于2013年11月7日的美国临时专利申请序列号61/901,052的优先权，上述申请的公开内容在此通过引用整体并入本文。

本发明是在美国能源部资助的合同号为DE-EE0005653的美国政府支持下授予的。政府对本发明具有一定的权利。

背景技术

射频(RF)-和基于微波的感测技术，包括腔体微扰法等，用于从实验室和研究仪器到过程控制系统的多种应用中并且甚至用于车载传感器。在许多应用中，天线或探针被用于发射和/或接收无线电频率或微波信号以进行这些测量。通常情况下，需要额外的信息来准确地解释测量结果，因为外部因素(诸如温度或湿度，例如)可以引入影响测量的附加变量。

在许多应用中，具有针对能够承受高水平的振动、大的温度变化、恶劣或腐蚀性的环境、暴露于元件、以及类似苛刻要求的稳健传感系统的进一步需要。这些要求中的许多只能通过复杂、笨重、且昂贵的系统满足，这些系统遭受以下限制。

第一，使用天线或探针发射和接收射频或微波信号的电流感测系统需要额外的传感器来测量多个参数。通常需要温度传感器、湿度传感器、压力传感器等(除天线或探针以外)来进行这些辅助测量，增加了额外的成本和系统的复杂性。

其次，许多常规的天线和RF/微波探针不稳健，并且不能在暴露于高温、高振动水平、热冲击、腐蚀性或脏的环境、氧化或还原条件等的扩充操作之后存活。环境暴露，例如雨、雪、和盐水以及暴露于化学品和溶剂诸如油、燃料、酸和类似化学品，也不利于许多常规RF/微波探头和天线。

第三，经设计用于在恶劣的环境中操作的RF/微波探针和天线通常是昂贵的、大型的且笨重的，而且不适合用于低成本测量系统。这些系统中的费用遏制了利用更少见且更高价的材料的需要，并且遏制了在制造和装配天线或探针和相关联连接器中所涉及的额外成本和复杂性。

第四，常规的天线系统受到由反射、损失和不正确的阻抗匹配所引发的可变性限制的影响。这些可变性资源中的许多与天线设计本身和天线连接到信号线缆的方式相关。例如，大多数天线需要额外的组件来将天线连接到所述信号线缆，诸如互连器和辅助组件。这些组件不仅显示出一些固有的可变性，这些可变性也可随时间变化(腐蚀、松动、水分感应等)，而且还经受操作错误，包括未对准、过度拧紧、欠紧固、可靠性等。

第五，适于在微波范围内使用射频连接器是昂贵的，特别是当需要高温操作时。稳健的连接器诸如例如N型也是笨重的，这使它们不适用于其中需要小形状因子的应用程序。在某些情况下，这些连接器的尺寸可以具有与实际组件或传感器相同的量级。

第六，在RF探针或天线，诸如常规的RF连接器(BNC、SMA、N型以及许多其他连接器)的端部上使用互连器允许任何类型缆线通过相同类型的匹配连接器、或者通过不同类型的连接器通过使用合适的适配器而连接到天线。在其中系统的测量或操作需要使用具有特定特性(阻抗、长度、温度等级、或类似性能规格)的缆线的应用中，当连接缆线被替换为不符合所要求的规格的另一种缆线时，可以容易地引入另外的错误来源。因此，其中天线和RF探针包括互连器的测量系统可能容易受到由安装错误电缆引起的错误。

因此，如果有RF探针或天线系统解决上述问题，将是有益的。这样的系统将有利地减少探针或天线性能的固有可变性并消除操作员错误的来源，最终提高使用该天线或探针的整个测量系统的性能。此外，包括多个感测元件或监视多个参数(例如RF信号和温度，或者在另一个示例中RF信号和压力，或者在又另一个示例中RF信号和气体或液体组分)的能力的探针或天线，通过允许用同一个探针监测一个或多个参数，而大大简化了测量系统。