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
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
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中基于谐振器结构的微波传感器检测电路的局限性，提供一种微型化，低成本，低功耗，高精度的面向多检测场景的微波传感器检测电路及其设计方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向多检测场景的微波传感器检测电路的设计方法，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。
在本发明的一个实施例中，在步骤S1中，锁相环的最佳射频点的选取方法为：根据应用场景和微波传感器的结构特点综合考量，选取的射频频率需要达到尽可能高的插入损耗分辨率，且要求射频点下的微波传感器输出具有优异的线性度。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，微波传感器与锁相环射频源的阻抗匹配方法为：在微波传感器与锁相环射频源之间插入无源网络，使微波传感器阻抗与锁相环射频源的输出阻抗共轭匹配。
在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，所述锁相环射频源进行单频点射频驱动微波传感器方法为：锁相环射频源采用窄带环路滤波器和窄带压控振荡器，且其分频器保持固定分频比，实现稳定的定频射频输出。
在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，所述功率检波电路的设计方法为：在微波传感器的输出端设置射频功率检波器，所述功率检波器包括整流二极管和两级精密运放，所述两级精密运放包括一级低噪声运放和一级增益可调运放，其中第一级精密运放对高频信号进行半波整流，第二级运放对其进行全波整流，同时将其幅值放大两倍，将高频信号转换为纹波系数较高的直流信号，并由低通滤波器对该直流信号进行纹波滤波。
在本发明的一个实施例中，在步骤S5中，在功率检波电路输出端设有模数转换器以及控制芯片，所述模数转换器和控制芯片对微波传感器的输出信号进行进一步数据处理，包括模数变换以及对微波传感器的输出数据进行线性补偿。
在本发明的一个实施例中，在锁相环射频源与微波传感器之间设置有功率放大器，实现射频功率的稳定输出，并抑制非线性射频输出。
在本发明的一个实施例中，对微波传感器与检测电路之间进行电磁隔离，所述微波传感器包括微带线结构、介电材料和屏蔽层。
在本发明的一个实施例中，所述微波传感器直接集成设置在检测电路中。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种面向多检测场景的微波传感器检测电路，采用上述设计方法得到该检测电路，包括：集成设置在电路上的微波传感器、采用锁相环电路构成的微波射频源、设置在锁相环射频源与微波传感器之间的功率放大器、在微波传感器的输出端设置的功率检波器以及在功率检波电路输出端设置的模数转换器和控制芯片。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的面向多检测场景的微波传感器检测电路，极大的精简了检测电路的硬件开销，与传统的扫频检测微波器件的谐振点不同，本检测电路采用定频对微波器件进行检测，在这种情况下，可以采用窄带环路滤波器以及窄带压控振荡器，而且不需要额外的控制单元配置分频器；
本发明所述的面向多检测场景的微波传感器检测电路，将微波传感器与检测电路集成在一起，避免了使用传统的SMA端子，通过额外阻容设计实现微波传感器与检测电路的阻抗匹配，增强了检测电路的抗干扰能力；此外，通过这种集成化的设计方式，可以缩小整个检测系统的体积同时降低电路功耗，符合物联网时代背景下智能传感器微型化的趋势。
本发明所述的面向多检测场景的微波传感器检测电路的设计方法，对于所有具有优异插入损耗分辨率和线性度的微波传感器元器件具有普适性和通用性，而且由于微波传感器设计灵活性高，微波传感器具有更大的可选频率空间，这种依据传感器应用场景和结构特点设计射频检测电路的参数的方式能够最大化发挥微波传感器的性能优势。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明面向多检测场景的微波传感器检测电路的设计方法的流程图；
图2是SRR型微波传感器的插入损耗曲线；
图3是阻抗匹配电路进行阻抗匹配的原理；
图4是微波传感器与锁相环射频源的阻抗匹配方法；
图5是锁相环电路的结构示意图；
图6是锁相环电路的射频输出频谱图；
图7是功率检波电路的结构示意图；
图8是面向多检测场景的微波传感器检测电路的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种面向多检测场景的微波传感器检测电路的设计方法：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。
具体地，对于微波传感器检测电路的设计与实现最重要的一个参数是射频点频率的选取，这个参数会直接影响检测电路性能的优劣，本发明以一种微波传感器的典型结构--开口环谐振器(SRR)为例，阐述面向多检测场景的微波传感器检测电路的原理与实现方法：
参照图2所示，SRR型微波传感器的插入损耗曲线，当作为射频源的锁相环电路的输出频率为3GHz时，在该频点下待测参量DUT1、DUT2、DUT3和DUT4分别对应的插入损耗为损耗点1、损耗点2、损耗点3和损耗点4，即当待测参量DUT不同时，相同功率的固定射频点3GHz所产生的传输损耗也不相同，而且这种损耗变化与DUT的变化是线性相关的，如表1所示，利用这种线性关系即可实现微波传感器检测电路的设计。
表1待测参量变化对微波传感器参数的影响
具体地，锁相环的最佳射频点的选取方法为：根据应用场景和微波传感器的结构特点综合考量，选取的射频频率需要满足插入损耗分辨率，即待测参量每5％变化所引起的插入损耗变化要大于0.8dB，且要求射频点下的微波传感器的插入损耗变化量具有优异的线性度，其线性拟合优度R2需要大于0.95，具体地，所述插入损耗分辨率的计算公式为：
所述线性拟合优度计算公式为：
其中，ILi是第i个浓度对应的插入损耗，ILai、ILbi分别为插入损耗的拟合值与实际值；其中，resolution表征传感器的插入损耗分辨率，即每单位梯度DUT变化时，传感器插入损耗的平均变化值，该值的绝对值越大越好，至少大于0.8dB。Linearty表征传感器的线性拟合优度，该值越接近1说明传感器插入损耗变化的线性度越好，至少大于0.95
针对本发明中示例的开口环谐振器结构(SRR)的微波传感器通过实验室测定分析，以确定其最佳射频输出频率，实验证明当锁相环电路控制压控振荡器输出3GHz的频率时，微波传感器在不同检测环境下的插入损耗分辨率可以达到-1.21dB，线性度为0.974，满足检测需求，所以可以通过对微波传感器的输出端进行功率检波以此表征待测参量的变化。
具体地，在射频电路设计中，需要尽量保证射频源与微波传感器之间的无损传输，即尽可能的减小反射损耗，实现微波传感器与射频源的阻抗匹配，阻抗匹配需要在微波传感器与锁相环射频源之间插入一个无源网络，使微波器件阻抗与检测电路的输出阻抗共轭匹配，以实从检测电路到微波器件的无损传输，如图3和图4所示，所述的阻抗匹配电路采用集成化的设计手段，通过史密斯圆图对检测电路进行阻抗匹配，采取并联一个电阻和串联一个电容的方式避免了使用传统的SMA接口，提高了整个检测电路的集成度和抗电磁干扰能力。
本实施例中，锁相环电路是2阶2类锁相环电路，如图5所示，所述锁相环电路包含鉴频鉴相器(PFD)、模拟电荷泵(CP)、窄带环路滤波器(LF)、窄带压控振荡器(VCO)和整数分频器(FD)构成，参考频率Fref由石英振荡器产生，由锁相频率与参考频率在鉴频鉴相器中进行鉴频，鉴频误差经电荷泵和环路滤波器后控制压控振荡器输出微波传感器所需要的射频频率，该频率可以通过配置分频器进行配置；由于是定频锁频输出，所以锁相环电路的结构较为简单。该锁相环电路的系统传递函数为：
其中，Kd为鉴相器的增益因子，单位V/rad；Ko为压控振荡器的增益因子，单位rad/s·V。G(s)为锁相环的开环传递函数，F(s)为环路滤波器的传递函数。
由于本发明中锁相环频率合成器不采用扫频的方式检测谐振点，没有锁定时间与相位噪声不可兼得的矛盾，所以可以采用窄带环路滤波器改善锁相环的环路动态特性，参考频率与锁相输出频率经鉴频鉴相器后输入到窄带环路滤波器中，实现对压控振荡器的精确控制，同时大幅改善锁相环电路的相位噪声，保证锁相环电路偏离射频点频率20KHz处其相噪抑制大于-65dBc/Hz，锁相环噪底大于-80dBc/Hz，如图6所示。
因为锁相环电路输出定频射频信号，所以通过选择窄带压控振荡器和整数分频器以达到降低硬件电路开销的目的，比如，采用输出频率为2GHz～4GHz的压控振荡器和20MHz的参考频率，则选取150分频的分频器，则可保证锁相环电路输出稳定的3GHz的射频信号。
参照图7所示，所述功率检波电路的设计方法为：在微波传感器的输出端设置功率检波器，所述功率检波器包括整流二极管(RF)和两级精密运放，所述两级精密运放包括一级低噪声运放(LNA)和一级增益可调运放(VGA)，其中第一级精密运放对高频信号进行半波整流，第二级运放对其进行全波整流，同时将其幅值放大两倍，将高频信号转换为纹波系数较高的直流信号，并由低通滤波器(LF)对该直流信号进行纹波滤波。
具体地，在功率检波电路输出端设有模数转换器以及控制芯片，所述模数转换器和控制芯片对微波传感器的输出信号进行进一步数据处理，包括模数变换以及对微波传感器的输出数据进行线性补偿，并可以通过无线通信模块或者串口通信模块实现数据的多终端交互。
本实施例中，在锁相环射频源与微波传感器之间设置有功率放大器，实现射频功率的稳定输出，并抑制非线性射频输出，要求功率放大器工作频率在3GHz左右，且要求其线性度好。
具体地，微波传感器作为一个微波射频器件，容易与检测电路的控制信号网络与时钟信号网络产生互扰，这会极大的恶化整个检测电路的性能，同时检测电路对微波传感器的干扰也会降低传感器的检测精度，所以对检测电路与微波传感器进行电磁隔离非常必要；本实施例中，微波传感器结构分为三层：微带线结构、介电材料和屏蔽层，其中屏蔽层即是实现检测电路与微波传感器隔离的手段，检测电路与微波传感器之间的串扰被屏蔽层隔离，电气信号只允许通过馈线在电路与传感器之间进行传输。
本实施例采用紧凑式的电路布局布线方式，并将微波传感器模块直接集成到检测电路中，而不是通过SMA接口外接，尽最大可能的缩小了整个检测系统的规模，同时也为采用微纳米工艺进行芯片级设计提供了设计思路。
参照图8所示，本发明的一种面向多检测场景的微波传感器检测电路，采用上述设计方法得到该检测电路，包括：集成设置在电路上的微波传感器、采用锁相环电路构成的微波射频源、设置在锁相环射频源与微波传感器之间的功率放大器、在微波传感器的输出端设置的功率检波器以及在功率检波电路输出端设置的模数转换器和控制芯片。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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