一种微波探测系统及方法与流程

本发明涉及一种微波探测系统及方法，尤其涉及基于电磁波磁分量的微波探测系统及方法。

背景技术：

随着现代高技术的发展，微波在军事、民用方面已得到广泛的应用，并已在发达国家中作为重要的“软杀伤”武器进行研制，受到人们的关注。目前现有的微波探测器多数是通过探测微波的电场信号来实现的。从设备性能来说，由于微波网络对传输线的敏感性，实验室内依靠高频电路对微波进行相位分辨探测是极为困难的；从设备成本来说，对微波实现精确的相位分辨探测都依赖于昂贵的设备，价格因素是制约微波精确测试电路发展的重要原因。

基于磁分量的微波探测技术很少而且发展缓慢，较少的微波磁场探测器则是基于法拉第效应的回路线圈探测器，穿越回路线圈的总磁通变化率转化成电压信号后被探测，这一探测原理决定了探测器探测的是微波磁场强度，且其灵敏度与回路线圈的面积有关。导致其在亚波长尺寸上的局域探测方面存在较大困难且不利于工业集成化，亟需开发基于磁分量的微型化，可调谐及宽频段的新型微波探测器。

技术实现要素：

本发明为了解决依靠高频电路难于对微波进行相位分辨探测，且设备成本过高的问题，从而提出本发明一种微波探测系统及方法。

一种微波探测系统，包括多铁异质结和硅基共面波导，所述硅基共面波导上设置多铁异质结。

所述的一种微波探测系统，其中多铁异质结为铁磁金属薄膜和铁电单晶进行层状复合而成的多铁异质结。

铁磁性物质在外磁场和微波磁场的共同作用下，满足铁磁共振关系时，铁磁性物质中的磁矩单元会发生一致进动，从而会对微波产生共振吸收现象，该过程称为铁磁共振效应。由磁性薄膜和压电材料进行二维层状复合的结构成为多铁异质结。可以通过外加电场的改变来调节整个结构的磁性能，实现磁电耦合的多维度调控。

微波探测的方法，包括：

对微波探测系统施加外电场E，并进行电场控制调节标定，建立外电场E与共振频率的一一对应关系f(E)＝γ(H₀+kE)，其中H₀为外加静磁场强度，γ为电子旋磁比，E为外电场的电场强度，k为线性系数，然后对微波探测系统施加未知微波；

获取微波频率的步骤，对已施加未知微波的微波探测系统进行电场扫描，获得出现微波功率吸收峰处的电场强度E₁，根据外电场E与共振频率的对应关系f(E₁)＝γ(H₀+k E₁)，获得被探测微波的频率f(E₁)；

获取微波方向的步骤，对已施加未知微波的微波探测系统进行电场扫描，获得出现微波功率吸收峰处的电场强度E₁，构建外电场E与共振频率的关系f(E₁)＝γ(H₀+kE)sinθ，θ为未知微波入射方向与总磁场H方向的夹角，即获得微波方向；

获取微波相位的步骤，对已施加未知微波的微波探测系统进行电阻测量，所述电阻测量为测量铁磁薄膜的电阻；获得电阻的相位变化，微波相位与电阻变化相位一致，即获得微波相位。

本发明通过基于铁磁共振系统的微波波导，使探测原件可以实现集成化和小型化，工艺简单，成本低廉，并且基于微波磁分量对微波进行探测，可以避开传统的基于微波电分量的一些弊端和瓶颈，可以发展出新的微波解析和加密方法。

附图说明

图1为多铁异质结的磁电耦合效应图，其中，箭头1为施加的外电压，箭头2为外电场的电场方向，箭头3为压电衬底产生的面内应变，箭头4为通过界面传递给磁性薄膜的应变，箭头5为由于应变产生的有效磁场；

图2为一种微波探测系统结构示意图，箭头10为外加磁场方向，22为多铁异质结，24为硅基共面波导，23为外加电场；

图3为多铁异质结和共面波导结构的俯视图，22为多铁异质结，24为硅基共面波导；

图4为多铁异质结和共面波导结构的截面图，22为多铁异质结，24为硅基共面波导；

图5为建立电场与共振频率的一一对应关系的调控曲线图；

图6为铁磁共振频率随电场强度的变化曲线；

图7为微波传播方向探测示意图，箭头6为磁分量方向，7为磁场传播方向，8为总磁场方向，其中令外磁场和有效磁场方向平行，9为对多铁异质结系统的旋转角度；

图8为微波相位探测示意图；

图9为多铁异质结金属层面内电阻随时间的变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有点能够更加简明易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一：结合图1-9说明本实施方式。参照图2-4，本具体实施例一种微波探测系统，包括多铁异质结和硅基共面波导，所述硅基共面波导上设置多铁异质结。所述的一种微波探测系统，其中多铁异质结为铁磁金属薄膜和铁电单晶进行层状复合而成的多铁异质结。

多铁异质结的磁电耦合效应参照图1，当对多铁异质结施加电压V时，在该结构的压电衬底中就会产生电场，由于压电效应，压电晶体会产生应变ΔI；由于压电衬底和铁磁薄膜是外延附着在一起的，因此应变会通过界面传递给磁性薄膜，对磁性薄膜产生应力σ；磁性薄膜由于压磁效应，即会在磁性薄膜内部产生有效磁场H_eff，从而实现了施加电压使得磁性薄膜的磁特性发生改变的磁电耦合效应。

多铁异质结探测微波系统参照图2-4，包括多铁异质结和硅基共面波导，所述硅基共面波导上设置多铁异质结。其中，图4虚线为共面波导中传输微波的磁分量分布示意曲线。

具体实施方式二：结合图1-9说明本实施方式对微波探测系统施加外电场E，并进行电场控制调节标定，建立外电场E与共振频率的一一对应关系f(E)＝γ(H₀+kE)，其中H₀为外加静磁场强度，γ为电子旋磁比，E为外电场的电场强度，k为线性系数，然后对微波探测系统施加未知微波；

进行电场控制调节标定时，获得图5电场对多铁异质结铁磁共振频率的调控曲线，通过在不同电场下扫频，建立出外电场E与共振频率的一一对应关系f(E)＝γ(H₀+kE)，如图6所示。

获取微波频率的步骤，对已施加未知微波的微波探测系统进行电场扫描，获得出现微波功率吸收峰处的电场强度E₁，根据外电场E与共振频率的对应关系f(E₁)＝γ(H₀+k E₁)，获得被探测微波的频率f(E₁)；

即未知频率微波经过多铁异质结时，系统发生铁磁共振，即出现微波功率吸收峰，获得该吸收峰处的电场强度E₁，时电场强度E₁在f(E₁)＝γ(H₀+k E₁)中对应的频率即为被探测微波的频率。

获取微波方向的步骤，对已施加未知微波的微波探测系统进行电场扫描，获得出现微波功率吸收峰处的电场强度E₁，构建外电场E与共振频率的关系f(E₁)＝γ(H₀+kE)sinθ，θ为未知微波入射方向与总磁场H方向的夹角，即获得微波方向。

在二平面内参照图7，基于多铁材料平面内的各向异性，总磁场H方向与未知微波传播方向不同，则多铁异质结铁磁共振吸收的强弱也会随之呈现差别，当未知微波的传播方向与H方向平行一致，即θ为0时，铁磁共振效应最强即微波吸收能量最多，当转动多铁异质结时，铁磁共振效应最强的那个方向对应该位置电磁场的传播方向；因此在探测未知微波时，进行电场扫描，使得多铁异质结发生铁磁共振，然后多铁异质结绕着图7中垂直于面的轴线转动，吸收最强时，H的方向即为微波传播方向，根据构建外电场E与共振频率的关系f(E₁)＝γ(H₀+kE)sinθ，可计算出θ为未知微波入射方向与总磁场H方向的夹角。

获取微波相位的步骤，对已施加未知微波的微波探测系统进行电阻测量，所述电阻测量为测量铁磁薄膜的电阻；获得电阻的相位变化，微波相位与电阻变化相位一致，即获得微波相位。

运用各向异性磁电阻效应，各向异性磁电阻效应(AMR)是指铁磁材料的电阻率随自身磁矩M所在直线方向和电流I所在直线方向夹角α改变而变化的现象。因而此时对铁磁薄膜的电阻进行测量，磁化强度方向与电流方向的夹角会发生周期性的变化。当磁矩方向与电流方向垂直时，电子轨道面在电流方向上的投影所成散射截面最小，电阻率最小；与之相反，当磁矩与电流方向平行时有最大散射截面，电阻率最大。即夹角α越大，电阻越大。

当发生铁磁共振时，磁矩M绕着磁场H做进动，如图8所示。此时，夹角α发生周期性变化，根据各向异性磁电阻效应，在a、c位置处，夹角α最小，电阻最小；在b、d位置处，夹角α最大，电阻最大。因此电阻随着时间的变化如图9所示。

未知微波的相位则与电阻变化相位一致，可由电阻随时间变化的图中得到未知微波的相位信息。

与现有技术相比，本发明因使用在硅基共面波导上设置多铁异质结的结构，使得探测元件可以实现集成化和小型化，能够大大提高测量的克难攻坚分辨率。因多铁异质结的结构为铁磁金属薄膜和铁电单晶进行层状复合而成，所以工艺简单，成本低廉。

本发明采用全新的物理机制，基于微波磁分量对未知微波进行探测，可以避开传统的基于微波电分量的弊端和瓶颈，具有突出的实质性特点和显著的进步。