一种高功率微波功率密度/场强监测装置及方法与流程

本发明属于高功率微波技术，尤其涉及一种高功率微波功率密度/场强监测装置及方法。

背景技术：

高功率微波(high-powermicrowave，hpm)是强电磁脉冲的一种，其频率范围为1ghz～300ghz，峰值功率高于100mw。在高功率微波试验中，由于不同受试设备(equipmentundertest，eut)的使用环境、大小规格与试验距离皆不相同，试验时不能直接、快速、有效的反映eut表面、内部或其所处位置的功率密度/场强情况。目前在高功率微波试验中功率密度/场强的测定方法有如下两种：

方法一：使用对应频率的接收天线。

在高功率微波试验中，通常在测试eut前，先对功率密度/场强进行标定，即使用对应频率的接收天线，接收不同距离、角度的微波信号，再通过衰减器、检波管、示波器等仪器设备计算出功率密度/场强；之后，将eut放置在标定时同等状态上开展测试，并认为该测试时的功率密度/场强与标定结果一致。

对于使用对应频率的天线接收方法确定功率密度/场强，其优势为：

1.能够准确的测量不同接收距离与接收角度等状态的功率密度/场强；

2.测试结果为定量结果。

对于使用对应频率的天线接收方法确定功率密度/场强，其劣势为：

1.接收天线有极化要求：在标定过程中需要根据不同极化方向的发射天线调节与之对应接收天线的极化方向，标定过程复杂，大大降低试验效率，而且收发天线极化方向存在偏差时，将增大试验误差；

2.高功率微波功率源自身具有时变特性：高功率微波源使用的是速调管放大器，该放大器在输出时会有波动，无法保证微波源在标定时和实际试验时的输出相同；

3.无法实时监测：由于对应频率天线均为金属材质，而且体积庞大，若与eut同时置于测试环境中，会影响场分布，进而影响试验结果的准确性。

方法二：使用电场探头。

电场探头多使用于emc等低功率电磁环境下，但在高功率微波试验中，尤其是做较远距离的辐照监测时，也会使用电场探头。将电场探头至于eut表面或内部并通过其配套程序读取监测的功率密度。电场探头共分三种，分别为手持式、储电式与供电式。其中手持式为便携式定点测量，可记录监测点的gps坐标，并可实时形成电磁辐射分布图，该设备多使用于户外低功率电磁环境监测，在高功率微波试验中考虑到大功率电磁辐射对人体的危害，不考虑使用该设备。在高功率微波试验中多使用储电式与供电式两种电场探头，二者皆通过光纤传递信号和供电。利用光纤可避免信号传输线对电磁场分布的影响，同时也避免传输的信号不受大功率电磁场的干扰。

对于使用储电式与供电式电场探头确定功率密度/场强，其优势为：

1.能够快速的反馈试验环境下的功率密度/场强：通过其配套软件，可满足实时监测的要求，同时可方便、直观的读出监测数值；

2.可满足放置在eut表面或内部的需求：由于体积小，质量轻，对周围电磁场分布的扰动较小，可放置在较小的空间内，对eut内部进行实时监测；

3.无需考虑天线极化问题：由于电场探头使用的是全极化天线，所以在使用过程中，无需考虑极化问题。

对于使用储电式与供电式电场探头确定功率密度/场强，其劣势为：

1.不能用于监测强电磁环境功率密度/场强：目前国内外比较有代表性的电场探头，为ar公司生产的电场探头，其最大耐受场强为1000v/m，而通常情况下高功率微波场强大于等于10kv/m，所以在强电磁环境下，储电式和供电式电场探头均不能满足正常使用。

2.光纤长度限制监测范围：无论是储电式还是供电式电场探头，都需要依赖于光纤通讯，才能完场实时反馈功率密度/场强，而通常在做高功率微波试验时，为模拟eut的真实使用情况，辐照区有可能为水平距离几百米外或几百米的高空，光纤的长短，往往会限制监测距离。

3.监测效率低：储电式电场探头电池容量小，为了安全，充电电流也非常小，故充电时间长，工作时间短，极大限制了试验时间，影响试验效率。

综上所述，在监测高功率微波方向上，由于高功率微波作用时间短，峰值功率高，毁伤能力强，目前在试验过程中尚无很好的监测方法。但监测高功率微波功率密度/场强，是研究高功率微波乃至复杂电磁环境的重要步骤与依据，所以如何准确、快速、有效的监测高功率微波功率密度/场强是一个亟待解决的关键问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种高功率微波功率密度/场强监测装置，包括：

信号接收模块，用于感应高功率微波信号并转换为可识别信号，所述可识别信号包括电信号或光信号；

信号处理模块，用于将所述可识别信号进行处理与比较；

反馈模块，用于将处理与比较后得到的信号进行分级显示。

进一步的，所述信号接收模块包括天线、荧光物质或二极管。

进一步的，所述可识别信号为电信号时，所述信号处理模块包括：

限幅单元，用于保护内部电路，当信号输入功率较小时无衰减通过，当输入功率增大到门限电平时，信号衰减会迅速增大，当输入功率超过门限电平后，输出功率不再增加；

滤波单元，用于对监测的频点以外的频率进行滤除，得到特定频率的电信号；

检波单元，用于检出波动信号包络，所述波动信号包络包括幅度和脉宽；

比较单元，用于将上述三个单元处理后的信号与预设门限值进行比较，大于门限值则导通，小于门限值则截止，导通的信号转换为数字信号传递至所述反馈模块。

进一步的，所述反馈模块包括：

锁存单元，用于将所述比较单元所转换的数字信号进行锁存；

指示单元，用于根据锁存单元提供的电信号，使指示装置工作。

进一步的，所述指示装置包括指示灯。

进一步的，所述可识别信号为光信号时，所述信号处理模块包括：

光敏二极管，用于将光信号转换为纳安级电流信号；

仪表放大器，用于将所述电流信号转换为毫伏级电压信号；

比较单元，将所述电压信号与预设门限值进行比较，大于门限值则导通，小于门限值则截止，导通的信号转换为数字信号传递至所述反馈模块。

进一步的，所述反馈模块包括：

锁存单元，用于将所述比较单元所转换的数字信号进行锁存；

指示单元，用于根据锁存单元提供的电信号，使指示装置工作。

进一步的，所述指示装置包括指示灯。

此外，本发明还提出一种高功率微波功率密度/场强监测方法，包括以下步骤：

步骤1：将监测装置放置在监测点位，并调节多路的比较单元的预设门限值；

步骤2：信号接收模块接收高功率微波信号并转换为电信号；

步骤3：所述电信号经过信号处理模块的限幅单元、滤波单元和检波单元后，分别到达多路比较单元并与各路预设门限值进行比较；

步骤4：小于预设门限值的信号直接导通至地，大于预设门限值的信号转换为数字信号并传递至反馈模块的锁存单元；

步骤5：所述数字信号通过锁存单元锁存后触发指示单元工作。

步骤6：一次监测完毕后，回收监测装置并观察指示单元的指示信息，获取监测点位的高功率微波功率密度和场强；

步骤7：手动复位并重复步骤1-6，可重复对高功率微波功率密度和场强进行测量。

本发明的有益效果在于：本发明能够快速、有效的反应出监测点的功率密度/场强数值，可通过手动复位进行多次测量，并能满足受试设备表面、内部关键位置的监测，为高功率微波试验提供准确的试验数据，提高试验效率，降低试验误差。本发明方法还可拓展用于高功率微波功率密度/场强均匀区测试、电磁场可视化、电磁辐射安全区监测以及电磁辐射个人剂量等方向。

附图说明

图1为本发明实施例一的工作流程图；

图2为本发明实施例一的电路原理图；

图3为本发明实施例一的监测装置运行原理图；

图4为本发明实施例一的电路原理图；

图5为本发明实施例二的监测装置运行原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例提供了一种高功率微波功率密度/场强监测装置，包括：信号接收模块、信号处理模块和反馈模块，三者分别依次连接，其工作流程如图1所示。具体的，信号接收模块为s波段接收天线，信号处理模块包括限幅器、滤波器、检波器和数据比较芯片，反馈模块包括数据锁存芯片和指示灯，s波段接收天线、限幅器、滤波器、检波器、数据比较芯片、数据锁存芯片和指示灯分别依次连接。其中，使用前s波段接收天线与限幅器、滤波器、检波器依次连接并校准，得到与不同功率密度/场强对应的校准参数。s波段接收天线将感应到的电磁能量转换为电信号，并可根据电磁场强度大小改变电信号大小。限幅器保护内部电路，阻隔大功率信号毁伤内部电路。滤波器过滤其他频率波，减小检测误差。检波器将微波信号转换为具体幅值。本实施例提供的监测装置的电路原理图如图2所示。

基于上述监测装置，本实施例还提供了一种高功率微波功率密度/场强监测方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：将监测装置放置在监测点位并根据需要预先校准参数调节所需监测高功率微波功率密度/场强的各路比较门限，具体的，可分为a、b、c、d、e、f多级门限，每级门限对应步进5w/cm²或10kv/m；

步骤2：s波段接收天线接收微波信号并转换为电信号；

步骤3：电信号经过限幅器、滤波器和检波器后，同时到达多路数据比较芯片进行比较，其中通过限幅器、滤波器和检波器后的电信号可精确到毫伏级；

步骤4：小于数据比较芯片预设门限的电信号直接导通至地，大于数据比较芯片预设门限的电信号通过比较器转换为数字信号，其中导通的数字信号为1或0，并传输至数据锁存芯片；

步骤5：数字信号通过数据锁存芯片锁存后触发指示灯工作；

步骤6：一次监测完毕后，回收监测装置并观察指示灯指示信息，方可知监测区域高功率微波功率密度/场强；

步骤7：手动复位并重复步骤1-6，可重复对高功率微波功率密度/场强进行测量。

完成一次监测后，若监测功率密度小于5w/cm²，或场强小于10kv/m，则无一路报警指示灯亮；若监测功率密度大于等于5w/cm²且小于10w/cm²，或场强大于等于10kv/m且小于20kv/m，则有一路报警指示灯亮；若监测功率密度大于等于15w/cm²且小于20w/cm²，或场强大于等于30kv/m且小于40kv/m，则有三路报警指示灯亮。依此类推，提高前期校准精度，可减小步进范围，达到更精确的监测需求。

实施例二：

本实施例提供了一种高功率微波功率密度/场强监测装置，包括：荧光物质、光敏二极管、仪表放大器、数据比较芯片、数据锁存芯片和指示灯，其中荧光物质与光敏二极管靠近，光敏二极管、仪表放大器、数据比较芯片、数据锁存芯片和指示灯分别依次连接。使用前，荧光物质与光敏二极管、仪表放大器工作并校准，得到不同功率密度/场强对应的校准参数。具体的，荧光物质将感应到的电磁场强度转换为光能，并可根据电磁场强度大小改变自身光亮强弱。光敏二极管将光亮强弱转换为纳安级电流。仪表放大器将纳安级电流通过负载转换为毫伏级电压。本实施例提供的监测装置的电路原理图如图4所示。

基于上述监测装置，本实施例还提供了一种高功率微波功率密度/场强监测方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：将监测装置放置在监测点位并根据需要预先校准参数调节所需监测高功率微波功率密度/场强的各路比较门限，具体的，可分为a、b、c、d、e、f多级门限，每级门限对应步进5w/cm²或10kv/m；

步骤2：荧光物质感应电磁场并发光形成光信号；

步骤3：光信号经过光敏二极管与仪表放大器处理后，同时到达多路数据比较芯片进行比较，其中通过仪表放大器后的电信号可精确到毫伏级；

步骤4：小于数据比较芯片预设门限的电信号直接导通至地，大于数据比较芯片预设门限的电信号通过比较器转换为数字信号，其中导通的数字信号为1或0，并传输至数据锁存芯片；

步骤5：数字信号通过数据锁存芯片锁存后触发指示灯工作；

步骤6：一次监测完毕后，回收监测装置并观察指示灯指示信息，方可知监测区域高功率微波功率密度/场强；

步骤7：手动复位并重复步骤1-6，可重复对高功率微波功率密度/场强进行测量。

完成一次监测后，若监测功率密度小于5w/cm²，或场强小于10kv/m，则无一路报警指示灯亮；若监测功率密度大于等于5w/cm²且小于10w/cm²，或场强大于等于10kv/m且小于20kv/m，则有一路报警指示灯亮；若监测功率密度大于等于15w/cm²且小于20w/cm²，或场强大于等于30kv/m且小于40kv/m，则有三路报警指示灯亮。依此类推，提高前期校准精度，可减小步进范围，达到更精确的监测需求。

实施例三：

本实施例在实施例二的基础上，荧光物质选用荧光粉，具体的，采用荧光灯管，该灯管的管内充有400pa-500pa压力的氩气和少量的汞，管内壁涂有荧光粉。

此外，考虑该监测装置使用时的特殊场景，还需完成温度控制，温度补偿，电磁兼容，防摔、防水、抗震等相关措施，例如使用保温材料阻隔外界环境温度，使用金属材料做外壳保护内部电路，采用按键、指示灯等外设，采用孔缝做导电插接口，内部电路使用环氧树脂等材料浇筑固化等等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。