天线适配器的制作方法

本发明涉及射频天线系统领域，并且更特别地涉及该系统的适配器，该适配器位于天线和接收电路之间。

背景技术：

通常，适配器被设计为在以预定义的频率f为中心的有限通带内操作。

为此，适配器包括一组或可变的电容器和/或电感器，其给出了在适配器的谐振器模式下操作的可能性。

然而，在某些应用中，希望天线系统能够在较宽的通带内操作。例如以下情况：当天线上的入射电磁波的频率未知时、当入射波的频率为随时间可变的频率时、或者甚至是当入射波的频率随机给出时。

对于宽的通带上的操作，由于位于适配器的谐振器模式中的操作域，天线系统的灵敏度被大大降低。

此外，天线系统的频率响应在整个通带内是不均匀的。

已知的解决方案包括将介于天线和放大器之间的可调谐滤波器(或频带可切换滤波器)包括在内，放大器由多个电路组成，每个电路由特定的通带来表征。然后，就阻抗从而就灵敏度而言，滤波器则使得信号能够被施加到最合适的电路中。

除了需要包括复杂的部件即可调谐滤波器之外，该方法的缺陷在于由添加滤波器所引起的插入损耗(insertion loss)。该插入损耗增加了天线系统的接收信道的噪声因子。

此外，理论上，可调谐滤波器仅给出了接收一部分电磁波谱的可能性。因此，该方法并不适于频率未知或随机的入射波的情况。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是克服上述问题。

本发明特别地与具有可扩展的灵敏度范围和线性响应两者的天线适配器有关。

为此，本发明的目的是一种天线适配器，用于放置在天线与接收链之间，其特征在于，该天线适配器包括：第一导线和磁电式传感器，第一导线中流动着与天线的输出处所发出的信号对应的外部电流，第一导线在自身附近生成外部磁场；磁电式传感器放置在第一导线附近、对外部磁场的通量较敏感并且能够生成与外部电流对应的输出信号。

本适配器工作在很宽的通带内。该适配器具有非常高的灵敏度、良好的动态特性和均匀的频率响应。

根据特定实施例，天线适配器包括单独地或根据所有技术上可能的组合的一个或多个以下特征：

-磁电式传感器包括磁力计、控制电路和第二导线，磁力计具有活性表面，并且当磁力计处于生成通过活性表面的磁通量的磁场中时，生成响应信号；控制电路将磁力计的响应信号作为输入并在输出处生成反馈电流；第二导线定位在磁力计附近并且连接在控制电路的输出处，反馈电流流过该导线，电路和导线使得反馈磁场被生成，在每个时刻，反馈磁场通过磁力计的活性表面的的通量基本上抵消了外部磁场的通量，天线适配器的输出与反馈电流对应。

-磁传感器为超导磁传感器。

-控制电路包括比较装置和电流源，比较装置能够将磁力计的响应信号与参考信号项并能够生成比较信号，电流源由比较信号控制、能生成反馈电流。

-适配器具有可扩展的通带并且在所述通带上具有线性且均匀的响应。

-磁传感器由在控制电路的两个输入端子之间串联连接的多个基本磁力计组成。

-第一导线和第二导线被成形以在磁传感器表面的平面中平行行进，外部电流沿第一方向流动，反馈电流沿与第一方向相反的第二方向流动。

-第一导线和/或第二导线围绕磁传感器的表面形成回路，该回路包括至少一圈。

-磁传感器由在控制电路的输入端子之间串联连接的多个基本磁传感器组成，第一导线和第二导线围绕多个基本磁传感器形成多个曲流。

-当基本磁传感器非对称时，基本磁传感器定位在每两个曲流中的一个曲流中、或者当基本磁传感器对称时，基本磁传感器定位在每个曲流中。

-磁电式传感器和第一导线的一部分被放置在壳体中以使得与外界磁隔离。

附图说明

通过阅读对根据仅作为示例并参照附图所给出的实施例和供使用的方法的描述，将更好地理解本发明及其优点，在附图中：

图1为应用图1的传感器的天线适配器的基本图示；

图2为图9的天线适配器的中间实施例的示意图；

图3为图9的应用非对称磁力计的天线适配器的所谓的曲流的实施例的示意图；

图4为图9的应用对称磁力计的天线适配器的所谓的曲流的实施例的示意图；

图5为所谓的回路实施例的密集二维集成的简化图；

图6为所谓的曲流实施例的密集二维集成的简化图。

具体实施方式

图1中示出了天线系统800，包括依次连接的：偶极子天线或磁天线830、天线适配器840和接收信道850，天线适配器840用作能够使天线和接收信道之间的阻抗相匹配的接口；接收信道850包括低噪声放大器、滤波器、探测器、数字转换器和其他信号处理部件。

天线适配器840包括壳体802，壳体802能够划定与外界及磁扰动(特别是电磁波)磁隔离的区域。壳体802使用了合适的能够屏蔽这些外部场的材料。

天线适配器840在壳体802内部包括第一导线806和磁电式传感器810。

第一导线806连接到天线830。天线830所传递的被称为外部电流i_ext的电流流过第一导线806。当外部电流i_ext在导线806上流动时，外部电流特别地在壳体802内侧在导线806周围生成外部磁场B_ext。该外部场B_ext关于外部电流i_ext成线性。外部电流i_ext(t)随时间t的变化而改变。因此，同样也适用于外部磁场B_ext(t)。

磁传感器810能够测量壳体802内测的外部磁场B_ext(t)以直接获得对电流i_ext(t)的测量。

传感器810包括磁传感器812、控制电路814和第二导线816。

磁传感器812包括对磁场敏感的部件，该部件能够发出作为电压或以电流的与磁传感器812处于的磁场对应的测量信号V。

在磁传感器中，已知的是诸如有金刚石N-V中心的光纤磁场传感器，其中，当该晶体处于外部磁场B_ext时，原子的形成晶体中的杂质的电子的两个能级之间的跃迁被修改。跃迁的修改改变了采用合适的激光进行照射的晶体的响应。该磁传感器工作在常温下。

虽然晶体的响应是线性的，但是其处于所使用的跃迁宽度的特征频率周围的减小的频率范围内。

在磁传感器中，还已知的是超导磁传感器，超导磁传感器是特别吸引人的，这是由于它们提供了物理上可达到的最高的灵敏度。该应用超导材料的磁传感器工作在低温(对于所谓的高临界温度超导材料大约80K)、或者超低温(对于所谓的低临界温度超导材料大约1毫-开尔文)下。

超导磁传感器为SQUID(“超导量子干涉器件”)部件或SQIF(“超导量子干涉滤波器”)部件。SQIF部件由串联、并联或串并联连接的SQUID部件的点阵组成。

由于超导磁传感器的工作原理，所以SQUID和SQIF部件具有非线性响应，即由外部磁场B_ext的穿过部件的表面S的通量φ所感应的电压V(φ)不是通量φ_ext的线性函数，从而不是外部磁场B_ext的线性函数。

在SQUID部件的情况中，响应是正弦波响应。在正弦波的拐点区域中，该行为的一阶是线性的。然而，该区域与相对较窄的通量范围对应。

在SQIF部件的情况中，响应是均匀的，V(φ)＝cste，除了在定期放置的某些特征点周围之外，对于这些定期放置的特征点，外部磁场B_ext的通量φ_ext等于特征通量φ₀(所谓的《磁通量子》)的整数倍。因此，SQIF部件的响应假设采用“反转梳”形状。

在修改过的具有特定配置的SQIF部件中响应是均匀的，除了在原点周围的区域之外，该区域中的该响应被抵消，φ_ext＝0。在该区域中，原点周围的对称响应是拟线性的。然而，该区域与相对较窄的通量范围对应。

磁传感器812为超导磁传感器。

磁传感器812具有成矩形的平行六面体形状。磁传感器812具有较小的厚度和活性表面S，活性表面S基本上是平整并且在磁传感器的厚度方向上具有法线。

磁传感器812能够在其输出端子之间生成响应信号，此处该响应信号在此处为电压V。电压V是通过表面S的瞬时总磁通量φ(t)的函数。

控制电路814在其输入端子E1和E2两者之间接收由磁传感器812产生的响应信号V(φ(t))，并在其输出端子S1和S2两者之间生成反馈电流i_FB(t)。

控制电路814将与反馈电流成正比的信号施加到接收信道850中。

更具体地，控制电路814包括比较装置822，比较装置822连接到输入端子E1和E2并且能够将响应信号V(φ(t))与参考信号V₀进行比较并且生成比较信号。

控制电路814包括电流源824，电流源824由比较信号控制并且能够在两个输出端子之间生成反馈电流i_CR(t)。

导线816连接在控制电路814的输出端子S1和S2之间。导线816被成形以使在磁传感器812的附近环流。反馈电流i_CR(t)流过导线816。因此，导线816在其周围生成反馈磁场B_CR(t)。该磁场B_CR(t)相对于电流i_CR(t).是线性的。该磁场B_CR(t)生成通过磁传感器812的表面S的反馈通量φ_CR(t)：φ_CR(t)＝B_CR(t).S。

在每个时刻，磁传感器812所传递的响应信号V(t)取决于穿过表面S的总磁通量φ(t)。

该总通量φ(t)是外部通量φ_ext(t),的总和，外部通量φ_ext(t),由根据关系式φ_ext(t)＝B_ext(t).S测量的外部磁场B_ext(t)和反馈通量φ_CR(t)产生。

当磁传感器812所接收到的总通量φ(t)恒定时，传感器810处于平衡状态。在该条件下，受瞬时反馈的长期驱使，反馈电流i_CR(t)表示对外部磁场B_ext(t)的线性测量。

为了使该均衡状态存在，选择传感器810的几何及物理参数以使反馈通量与外部通量相反并且使磁传感器812的响应V(t)可以瞬时恢复到参考电压V(t)。换言之，控制电路814和导线816使得生成反馈磁场，在每个时刻通过磁传感器的活性表面的反馈磁场的通量基本上抵消了外部磁场的通量。

应该注意的是，如果外部磁场B_ext具有直流组件，稳定点将会是以常数进行偏移的参考电压V₀。

通过适当地选择参考电压V₀，可以获得用于磁传感器812的响应区域的传感器810的最大灵敏度，其中，导数为最大值。对于SQUID类型的超导磁传感器，该最大值与正弦波响应的拐点对应。对于SQIF类型的超导磁传感器，该最大值与起始点对应，可选地使该最大值微小地偏移以避免关于磁场的符号的不确定性，从而避免关于电流的符号不确定性，这是由该磁传感器的对称响应引起的。

应该强调的是，在磁力计810中，磁传感器812的响应信号不被认为是测量信号，而是反馈环的调控信号。该调控信号是为测量信号的反馈信号。

因此，通过迫使磁传感器工作在具有良好的灵敏度和线性行为的较窄的区域内，天线适配器就可以在扩展的通带内具有良好的灵敏度、线性且均匀的行为。

有利地，为了使传感器具有良好的灵敏度，由于电流流过的导线周围的磁场线是圆形形状，所以第一导线和第二导线806及816定位在磁传感器812的表面S的平面P中。

此外，在外部电流并未具有任何直流部件以及第一导线和第二导线806及816极好地对称地位于磁传感器812周围时的情况下，每个时刻的反馈电流与待测量的外部电流一一对应：i_CR(t)＝i_ext(t)。

能够引入电流放大因子，其定义为：

G＝|i_CR(t)|/|i_ext(t)|，

通过选择几何形状，其中，第二导线816放置在离磁传感器812的中心距离为x2的地方，第一导线816放置在离磁传感器812的中心距离为x1的地方，距离x2比距离x1大。

天线适配器840的作用被扩展为宽频带信号转换器的作用。宽频带信号转换器将信号重建为电流而不是电压。

接收信道850具有不受前置滤波的射频信号，由此得到它的“宽带”特性。

天线适配器840具有回路配置。

第一导线806被成形以形成围绕磁传感器812的第一回路。然后，磁传感器812测量由电流回路而不是由直线导线感应的通量φ_ext(t)。通过假设一个圆形回路，从而相对于两根线都是由直线围成的配置引入等于π的乘积因子。

此外，通过使第一导线806成形以使第一回路包括N1>1圈，给通过表面S的外部通量φ_ext(t)乘以因子N1。

上述这些乘积因子的引入给出了增加适配器的灵敏度的可能性。

第二导线816同样被成形以形成包括N2圈的第二回路。

采用相同直径的第一回路和第二回路，仅通过选择以下配置就可以获得整数放大因子G，其中，N1等于G，N2等于1。更一般地，仅通过选择：来获得整数放大因子G。

该回路配置具有宽带响应。

通带主要受辐射电阻R_rad的影响被限制在高频处，辐射电阻R_rad与f⁴成正比，其中，f为反馈电流i_CR的频率。辐射电阻R_rad代替了由导线816形成的回路的电感造成的另一限制，该电感与f成比例。

通过减小由导线816形成的电路的尺寸，可以减小辐射电阻R_rad以尽可能地推回至传感器810的高截止频率。

另一缺陷在于，根据公式：第一回路包括第二回路中的“寄生”电流。

其中，Z是第二反馈回路的阻抗。

因此，上述两个回路都像电流变压器那样发挥作用，并且i_ind(t)表示对外部电流i_ext(t)的测量。

为了利用磁传感器的特性，控制电路814然后进行适配以生成反馈电流，以使：i_CR(t)＝2.i_ind(t)

将反馈电流注入到第二导线中以便于在与感应电流的方向相反的方向上流动。

上述操作可以起到精确地抵消磁传感器812中的总磁通量(至一常量内)的作用，从而适当地对反馈电流进行伺服控制控制。

回路配置使得能够如图5中示意地示出那样在平面P中进行一维或二维的密集集成。

该回路配置给出了采用降低的维度来制作磁传感器的可能性。

在图2中示出了天线适配器940，天线适配器900形成两个回路配置和采用两个直线导线的配置之间的中间实施例。图2的适配器的元件与图1的适配器元件相同或相似，采用增加了100的同样的附图标记来进行定位以作为该对应的元件。

在该实施例中，如果第一导线906被成形为第一回路，则第二导线916由直线围成。

该实施例的一个优点是使得能够通过适配器840中的第一导线来移除第二导线中感应的寄生电流。磁电式传感器940的阻抗因此大大减小了，同时保持了高灵敏度，这是由于相对于两根导线均是由直线围成的配置(图1)而言，第一回路具有π.N1因子。

该中间配置的另一优点在于以下事实：为了精确抵消外部通量，必须施加反馈电流，该反馈电流所具有的强度为天线适配器840的反馈电流强度的π倍。因此，反馈电流上的总增益，即测量电流，在此处为：G＝π².N1，或者例如对于N1＝10，总增益G＝100。

图3和图4示出了根据曲流实施例的两个天线适配器。

图3的适配器的元件与图1的适配器元件相同或相似，采用增加了200的同样的附图标记来进行定位作为该对应的元件。

在天线适配器1040中，磁传感器1012由多个基本磁传感器1012-i组成，该多个基本磁传感器1012-i放置成一排，以使它们各自的表面Si位于同一平面P中。该基本传感器1012-i串联连接在控制电路1014的输入端子E1和E2之间。

使第一导线和第二导线1006及1016相一致以便于在平面P中平行于彼此行进。第一导线和第二导线1006及1016通过相对于它们各自的宽度的间距彼此分离。

对导线1006及1016进行配置以便于通过形成曲流(meander)而在两个基本磁传感器1012-i之间流动。

在第一导线1006中施加外部电流i_ext(t)以在一个方向上流动，并且在第二导线1016上施加反馈电流i_CR(t)以便于在另一方向上流动。

由导线所生成的磁场在基本磁传感器的表面Si的平面P中具有沿垂直于平面P的方向的方位，该方位在导线一侧是正向，在导线另一侧是负向。

在适配器1040中，基本磁传感器1012-i是非对称的，它们的响应如下：V(-φ)＝-V(φ)。例如基本磁传感器1012-i是SQUID。然后，考虑到一个曲流到另一曲流的外部和反馈磁场的方位的翻转，需要将基本磁传感器1012-i设置在每两个曲流中的一个曲流中，以便基本磁传感器1012-i能够被隔开，以使基本磁传感器的响应不会两两抵消。

图4的适配器的元件与图1的适配器元件相同或相似，采用增加了300的同样的附图标记进行定位作为该对应的元件。

在图4的适配器1140中，与图3的适配器1040相关的一切元件是相等的，基本磁传感器1112-i是对称的，这些基本磁传感器的响应如下：V(-φ)＝V(φ)。这例如是SQIF类型的超导磁传感器的情况。由于基本磁传感器1112-i的响应与磁场方向无关，所以然后有利地能够将基本磁传感器1112-i放置在由第一导线和第二导线1106及1116限定的每一个曲流中。从而，可以增加基本磁传感器的密度，这在恒定的表面上给出了增加天线适配器的灵敏度的可能性。

曲流配置引入了寄生电感和辐射电阻，由此引入了对通带的限制。然而，曲流配置由电感和辐射电阻来表征，曲流配置的电感和辐射电阻固有地比环路配置的小，这给出了进一步将天线适配器的通带的高关断频率向前推进的可能性。

这里再一次通过为由导线1016或1116形成的电路选择非常小的维度，可以减小辐射电阻以便于在传感器的最高阈值频率处向前推进。

此外，能够对几何参数进行优化，例如可以分别增加第二导线1016、1116之间的距离x、以及磁传感器1012-i、1112-I的轴。为了获得相同的反馈通量，由导线所生成的磁场减小了1/x，然后必须增加反馈电流。该操作具有以下优点：使得能够通过使用高强度的反馈电流检测(沿到磁传感器的表面Si的法线)非常低振幅的外部磁场，即低振幅外部电流。

该曲流配置使得能够如图6中示意地示出那样在平面P中进行一维或二维的密集集成。

该曲流配置给出了采用降低的尺寸来制作天线适配器的可能性。

此外，曲流配置比回路配置更有利，这是由于曲流配置更易于对曲流进行优化并进行大规模的集成。

因此，根据本发明的天线适配器具有宽的通带，在该通带上，当磁传感器为具有超导类型时，天线适配器具有非常高的灵敏度。对于磁电式传感器的合适的设计，能够构思从甚低频(VLF)到超高频(UHF)范围内的通频带，即介于约几kHz和约1000MHz之间。

天线适配器相对于待测量的外部电流的强度还具有线性响应。此外，该响应在整个通带内是均匀的，即，也就是说与待测量的外部电流的频率无关。

就可测量的天线电流的强度而言，可以对天线适配器进行适配：分割成控制电流的反馈电流域、优化过的两个导线的回路/曲流电路的维度、多尺度集成等等。

可选地，可以将低通滤波器引入控制电路中，以给出指定特定数量的频率范围可能性以通过给待测量的外部电流规定频率量或者通过吸引人的频率域来使用。

最后，天线适配器提供了高密度平面集成的可能性，并且其尺寸可以为厘米量级。