[发明专利]一种面向多检测场景的微波传感器检测电路及其设计方法

说明书

本发明涉及一种面向多检测场景的微波传感器检测电路及其设计方法，设计方法包括以下步骤：S1、根据微波传感器结构和应用场景确定最佳射频点，将该最佳射频点作为锁相环射频源的锁定频率；S2、将微波传感器与锁相环射频源进行阻抗匹配；S3、采用锁相环射频源进行单频点射频驱动微波传感器；S4、在传感器输出端进行射频功率检波，根据射频信号在微波传感器上的功率损耗变化来实时反映待测参量的变化；S5、通过模数转换将微波传感器检测到模拟参量变化输入到控制芯片中，实现对微波传感器的变化参量的实时采集。本发明提供一种微型化，低成本，低功耗，高精度的检测电路及其设计方法。

技术领域

本发明涉及微波传感器检测技术领域，尤其是指一种面向多检测场景的微波传感器检测电路及其设计方法。

背景技术

随着物联网时代的到来，我国对高精度、高灵敏度、快速反应、高可靠性的联网智能传感器的需求与日俱增。微波传感器作为一种新型的高性能传感器，可以应用于多种严苛的检测场景。比如，微波湿度传感器作为一种非接触无损检测方式，可以用于水泥、粮仓以及木材等对湿度传感器要求严苛的应用场景；而应用微波技术的各种生物传感器，如血糖微波传感器、癌细胞微波传感器等更是在无创生物检测领域大放异彩。此外，如对超高温物体表面检测，对物体表面裂痕检测等检测场合也非常适合应用微波传感技术。总之，微波传感器可以被广泛地应用在工业、农业、国防、航空航天、日常家居等国计民生相关的领域，是一种潜力巨大的高性能传感器。近年来，微波传感器的发展越来越趋向于微型化。

微波传感器的原理是当环境中的待测参量改变时，微波传感器的谐振频率、插入损耗的幅值和品质因数Q值等微波特性也会随之发生改变，可以通过测量谐振点频移、幅度的损耗来确定待测量的变化。微波传感器凭借其精度高、实时性好且种类丰富的优良特性，已经被广泛应用于多种检测场景中，与此同时设计实现对微波传感器的高精度、低功耗的检测电路成为一种需求。由于微波传感器的原理是当环境中的待测参量改变时，微波传感器的谐振频率、插入损耗的幅值和品质因数Q值等微波特性会随之发生改变，可以通过测量谐振点频移、幅度的损耗来确定待测量的变化。但是这与传统的传感器待检测参量是不同的，也因此对检测方法提出了新的挑战。实验室检测微波传感器的参量一般使用矢量网络分析仪(VNA)，矢量网络分析仪虽然有着非常高的检测精度与带宽，但由于体积庞大，对环境依赖较大，并且价钱十分昂贵，不能够适用于实验室以外的大多数场景的测试，因此低成本微型化的微波传感器检测电路成为趋势。

2010年，天津大学公开发明专利《一种射频无线湿度传感系统》，公开号为：CN101852793A，该系统包括包括收发天线、环形器、低噪声放大器、混频器、滤波网络、控制模块、频率综合器、跳频发射模块和外部设备。这是一种典型的射频检测系统。但仍有以下缺点：电路结构复杂，硬件成本高；此外最大的问题是该套系统并不适合谐振器型微波传感器的检测，该套系统适合分立天线作为感湿元件。

2017年，中北大学公开发明专利《基于微波谐振技术的传感器及同时检测温湿度的方法》，公开号为：CN108151797A，该专利虽然感湿元件采用了谐振器结构，但其本质还是利用矢量网络分析仪作为检测手段。

2018年，四川斐讯信息技术有限公司公开发明专利《一种插入损耗测试方法和系统》，公开号为：CN108646097A，该专利对微波传感器的检测虽然也是基于插入损耗，但是一方面其微波源为普通的波形发生模块，射频输出相噪很高，不适合高精度检测，其次，该专利没有给出普适性的检测电路模型，其应用具有局限性。

2020年，电子科技大学公开发明专利《一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统》，公开号为：CN112097815A，虽然该专利提出的系统结构能实现对微波传感器的检测，但是其本质还是应用了矢量网络分析仪的原理，而且利用本振扫频的方式检测谐振点会使其电路结构变得极其复杂，同时需要额外的控制器控制锁相环的分频器。此外，由于分频器的快速切换会带来极大的相位噪声，如何抑制相位噪声也是一个非常复杂的过程。

发明内容