微波谐振腔的频率跟踪测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波技术、传感器、频率测量。具体讲，涉及微波谐振腔的频率跟踪测量装置。
【背景技术】
[0002]微波谐振腔作为一种基于微波技术的传感器，具有损耗小，Q值高，频率选择性好，功率容量大和结构坚固等优点。主要以实现微波波段的谐振，用于频率计、振荡器、微波信号源、微波滤波器和谐振放大器等。在诸多涉及微波谐振腔的领域中(如文献[1]_[5])，对于微波谐振腔的频率的测定多采用网络分析仪直接测量谐振腔的S参数，得到谐振腔频率。网络分析仪在获得S参数的同时得到微波谐振腔频率的数据反映不够直观，曲线信息精度不高且无法获取差值或变化量等信息；且网络分析仪设备价格昂贵，成本较高。以网络分析仪测量频率的以上两个特点限制了网络分析仪在部分微波谐振腔中对频率进行测量和分析的应用。
[0003]在微波谐振腔作为传感器测量频率的系统中，通过电路设计代替网络分析仪的使用，在提高精度的同时也能够大幅度的降低成本，但此方面未见成熟技术报道。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术的不足，提供微波谐振腔的频率跟踪测量装置，该装置能够大幅度降低测量微波谐振腔频率的成本，并且用稳定的电学输出信号保证较高的测量精度。避免网络分析仪在微波谐振腔频率测试中的两个主要不足。为此，本发明采取的技术方案是，微波谐振腔的频率跟踪测量装置，包括:幅度鉴别电路、相位鉴别电路、数模转换电路、压控振荡器、环形器、微波谐振腔、检波器、控制电路组成，输入波导信号进入谐振腔，通过谐振腔进行反射产生的反射信号经检波器输出到环形器进行选择，首先信号进入幅度鉴别电路中，在幅度鉴别电路中输出信号转换为二进制信号0、I并输入到控制电路，控制电路通过0、I信号判断谐振腔是否发生谐振，如果谐振，则直接进入频率检测部分；如果没有谐振，则返回上述过程，使谐振腔反射信号通过检波器和环形器后选择进入相位鉴别电路；
[0005]相位鉴别电路对经检波器处理后的谐振腔反射信号进行相位鉴定，输出0、1信号传送到控制电路，控制电路通过获取0、I信号检测加载输入波导频率高于或低于谐振腔真实频率；控制电路通过数模转换电路转换控制压控振荡器对输入波导信号频率进行加减，以逼近谐振腔真实频率，完成此过程以后，再重复以上循环，直至检测出真实谐振频率f。
[0006]幅度鉴别电路包括低通滤波器、放大器及比较器，在比较器上设置基准电压判断幅度，输入信号经低通滤波器、放大器后进入比较器进行比较，小于基准电压则当前状态为谐振状态，大于基准电压则当前状态为未谐振状态。
[0007]相位鉴别电路包括乘法器、低通滤波器和比较器，乘法器处理后经过滤波，正或负的输出信号表示同相或反相，经过微波谐振腔的信号频率大于谐振频率则同相，比较器基准电压设置为零，输出“ I ”表示当前频率大于谐振频率，输出“O”则表示当前频率小于谐振频率，二进制信息反馈到数模转换电路进行反馈调节，最终实现频率输出。
[0008]控制电路由现场可编程门阵列实现。
[0009]与已有技术相比，本发明的技术特点与效果:
[0010]本发明的微波谐振腔的频率跟踪测量装置，通过电路设计和FPGA平台控制取代网络分析仪通过测试微波谐振腔的S参数获取谐振腔频率的方法。具有更高的精度和准确性，成本大幅度降低。
【附图说明】
[0011 ] 图1基于FPGA控制的测量系统框图。
[0012]图2模块一:幅度鉴别电路图。
[0013]图3幅度鉴别结果图。图中，(a)谐振状态下的电压幅度(b)失谐状态下的电压幅度。
[0014]图4模块二:相位鉴别电路图。
[0015]图5相位鉴别结果图。图中，(a)反射信号频率大于源信号频率相位图，(b)反射信号频率大于源信号频率相位图。
【具体实施方式】
[0016]本发明提出了一种微波谐振腔的频率跟踪测量的电路实现装置，通过FPGA平台接收、控制电路信号，以达到追踪确定微波谐振腔频率的目的。通过使用小型处理器和电路大幅度降低测量微波谐振腔频率的成本，并且用稳定的电学输出信号保证较高的测量精度。避免了网络分析仪在微波谐振腔频率测试中的两个主要不足。
[0017]本发明可应用于通过微波谐振腔测量材料参数，通过在微波谐振腔中加入不同参数、品质的被测材料，通过发生谐振，将频率信息从跟踪测量电路传输出去，多次测试建立品质与频率的数据库，实现材料参数测量。
[0018]微波谐振腔频率跟踪测量系统包括FPGA芯片、幅度鉴别电路(模块一，如图2所示)、相位鉴别电路(模块二，如图4所示)、压控振荡器等微波元件几部分。谐振状态下的微波谐振腔将频率信号传输到模块电路中转化为二进制信号经FPGA控制平台控制和调整，最终检测出微波谐振腔的频率并输出。
[0019]整个信号流程阐释如下:
[0020]在谐振腔中加入溶液后，首先加载的输入波导信号进入谐振腔，通过谐振腔进行反射，反射信号进入检波器后，通过环形器进行选择，首先信号进入模块一中，在模块一中输出信号转换为二进制信号0、I并输入到FPGA平台，FPGA通过0、I信号判断谐振腔是否发生谐振。如果谐振，则直接进入频率检测部分；如果没有谐振，则返回上述过程，使谐振腔反射信号通过检波器和环形器后选择进入模块二:相位鉴别电路。
[0021]相位鉴别电路对经检波器处理后的谐振腔反射信号进行相位鉴定。输出0、1信号传送到FPGA，FPGA通过获取0、I信号检测加载输入波导频率高于或低于谐振腔真实频率。FPGA通过DAC转换控制压控振荡器近输入波导信号频率进行加减，以逼近谐振腔真实频率。完成此过程以后，再重复以上循环，直至检测出真实谐振频率f。
[0022]频率检测部分:因谐振腔谐振频率太高，不易测量，故通过测量频率偏移得到谐振腔频率。在通过模块一和模块二对谐振腔真实频率进行追迹并检测出真实频率以后，压控振荡器中保留谐振腔的频率f信号，基准信号为谐振腔为空腔时的谐振频率信号f0，两种信号进入混频器输出信号差值，测量得到的差值通过FPGA输出到计算机。
[0023]源信号为输入谐振腔的原始信号，反射信号为经过谐振腔反射后的输出信号。如果测试信号频率小于真实谐振腔频率时，源信号与谐振腔反射信号相位相反，如果测试信号频率大于真实谐振腔频率时，源信号与谐振腔反射信号相位相同。在通过模块一之后检测出谐振腔并未发生谐振，在模块二相位鉴别电路中，将源信号和测试信号加载到MC1406中，比较两个信号相位信息，当反射信号频率大于源信号频率时，二者相位相同，输出为一大于OV的电压信号，如图5(a)所示；当反射信号频率小于源信号频率时，二者相位相反，输出为一小于OV的电压信号，如图5(b)所示。电压信号与LM339的OV基准电压比较，通过与门输出二进制信号1、0。如果测试信号频率小于谐振频率，输出端口输出O ;如果被测频率大于谐振频率，输出端口输出I，输出信号传送到FPGA控制平台，FPGA通过DAC (数模转换)控制压控振荡器(VCO)调整频率。
[0024]FPGA在本发明中只作为一个控制平台，使用FPGA芯片处理器对各个模块输出的信号进行处理并返回信号到模块或计算机中。
[0025](I)微波谐振腔作为测量传感器，有较高的测量灵敏度。不同的微波谐振腔类型和尺寸会有不同的谐振频率，只有通过调整传入谐振腔的波导使谐振腔达到谐振频率，微波谐振腔才可以输出端口输出谐振反射信号。在微波谐振腔中加入容器存放不同的物质可以改变微波谐振腔的谐振频率。
[0026](2)微波谐振腔产生反射信号传到模块一幅度鉴别电路:在幅度