专利名称：宽带全向性辐射危险计的制作方法
技术领域：
本实用新型所涉及的是用来监测射频和微波辐射的一种宽带全向性辐射危险计，是EMC(电磁兼容)技术领域中的一种近场测量仪器。
众所周知，射频和微波辐射的生物效应会导致人体组织受到伤害，而这种危险性是潜在的，不易为人们所直接感知。尽管目前国际上尚未有一个统一的辐射暴露安全限值标准，但研究表明，实际的危险电平常常是人们自身所难以觉察到的。
随着电气和电子技术的迅速发展，各种电气和电子设备产生的辐射泄漏还导致彼此之间的相互干扰，限制其性能的充分发挥，使得精度下降，可靠性变差。
为了对各种辐射源进行监测，国际上通常采用一种称为微波辐射危险计的装置来对空间辐射场的功率密度值进行测量。这种近场测量仪器的关键在于高频场强传感器。它可以采用两种不同的工作机制。一是采用具有高导电性表面的天线，例如偶极子天线；二是采用具有宽带吸收特性的薄膜电阻带线。前者因其对频率的敏感性而使得频带较窄，工作频率只能到几千兆赫，而且天线对被测电磁场的干扰会改变场结构，增大测量误差。后者由于电阻带线对电磁波的吸收，其所产生的反射和散射影响极小，可看作对电磁波是“透明”的，故不会对被测电磁场产生干扰，而且电阻带线所吸收的少量辐射能量不随频率而变，可以达到很宽的频带，所以近年来这类仪器大都采用薄膜电阻带线作为传感元件。目前国外的微波辐射危险计，其电阻带线通常是制作在一种很薄的柔性介质基片上的。其缺点是工艺性差，制作困难，在使用中容易损坏，因而可靠性差；除此之外，还由于它是在基片的正反两面都蒸发沉积电阻带线，大大增加了工艺过程的复杂性，使成本上升；另外，为了最大限度地减小电阻带线所构成的环路与磁场的耦合作用(即仅限于电场耦合)，这就要求基片厚度很薄(典型厚度仅为2密耳，即0.05mm左右)，因而难以采用刚性介质材料(例如常用的微波陶瓷)作为基片材料，因为这会导致基片碎裂，成品率将很低。显然采用这种柔性基片材料存在着明显的缺点，给宽带全向性辐射危险计的制造和使用带来不便。
本实用新型的目的是为克服现有的这些辐射危险计的缺点而设计的一种新型结构的宽带全向性辐射危险计，以进一步提高这种辐射危险计的各向同性的监测性能，同时降低制造工艺的难度，提高制造成品率和产品的质量与可靠性。
本实用新型为一种宽带全向性辐射危险计，其组成包括宽带全向性探头、手柄、数字式功率密度指示器、加长电缆组件和记录器输出线等。
探头是由泡沫塑料防护罩和全向性传感器构成，传感器由三个互相正交安置的传感元件，一个连接片，一个锥形固定支架等组成。三个传感元件在结构上完全相同，是利用微波集成工艺在陶瓷基片上制作的薄膜混合集成电路。其中包括由真空蒸发和溅射技术沉积在陶瓷基片上的导电接点和薄膜电阻带线，肖特基二极管芯片，RC匹配网络以及滤波电容等。
在基片上，两条互相平行的电阻带线相距很近并由导电接点串联连接。在其中一条电阻带线的中心有一小间隙，间隙两旁制作有两个导电接点，供在其上装置二极管芯片和RC匹配网络用。
三个传感元件上的电阻带线通过接点与外电路连通而互相串联，最后由连接片中心部位的两个接点与手柄内的高阻传输线相接，将被测信号送到放大指示单元。三个传感元件与手柄成相同的夹角并且彼此正交，在垂直于手柄轴的平面内其投影互成120°角均匀分布，在结构上完全对称，以保证各向同性要求。
在传感元件中，采用结电容Cj很小(Cj＜0.08pf)的8毫米波段肖特基二极管芯片作为射频－直流转换元件，使之具有很高的工作频率上限，(肖特基二极管的工作频率上限主要取决于其结电容Cj的数值)。
RC匹配网络由一只薄膜电阻和二只薄膜陶瓷电容串联组成，作为肖特基二极管的分流网络并联在二极管两端。在工作频率范围内其阻抗随频率的变化与薄膜电阻带线阻抗随频率的变化相匹配，使得加在二极管两端的射频电压基本上保持不变，从而获得极宽的频率响应。也就是说，在频率范围的高频段，电阻带线中占优势的电阻特性与分流网络中优势的电阻特性相匹配；在频率范围的低频段，电阻带线中占优势的电容特性与分流网络中占优势的电容相匹配；在中间过渡频率范围，它们的复合特性彼此以一定的精确度相互跟随变化，使得在整个工作频率范围内始终保持一定的分压比，保持加在二极管上的射频电压基本上不随频率而变。
为了防止对被测场产生干扰，在手柄内装置了三段高阻传输线陶瓷片。它是利用真空镀膜技术在陶瓷基片上制作的两条互相平行彼此相距很近的薄膜电阻带线，其电阻与分布电容构成一个低通分布滤波器，可以滤除线上感应的射频干扰信号。此外，在高阻传输线两端还各有一只滤波电容。
功率密度指示器包括低漂移直流放大器，高精度A／D变换器和低功耗LCD三个组成部分。由探头输出的微弱的直流信号在功率密度指示器中经过放大和A／D变换，转换成相应的数字电压，驱动LCD显示出被测场的功率密度值。
如前所述，由于三个传感元件是互相串联连接的，因此，由每个传感元件产生的检波输出电压在闭合回路中进行代数相加，其合成结果代表了空间被测点电场在互相正交的三个方向上的分量的合成，其数值与电波的极化和到达方向无关，而只取决于被测点场强的大小。由于二极管工作于平方律特性部分，所得结果即为被测点辐射场的功率通量密度。经过校准后，由LCD显示被测功率密度值读数。
概括说来，本实用新型的优点是1.传感元件的基片材料采用刚性介质材料，即采用高纯度(推荐采用99.5％以上)高致密度的氧化铝微波陶瓷作为基片材料，它具有刚性好、气孔率低、强度高的特点，能在其上制作出高质量的薄膜电阻带线，提高稳定性和可靠性，克服了以往采用柔性薄膜基片存在的工艺性差和可靠性差的缺点；2.电阻带线全部制作在陶瓷基片的同一表面上而不是制作在正反两面上，可以大大简化工艺过程和降低对基片材料表面状况的要求，从而降低成本，减少工艺制作难度。
3.由于薄膜电阻带线全部位于基片同一表面上，可将两条互相平行的电阻带线尽可能靠近以减小其所构成的环面与磁场的耦合作用，减小测量误差。而基片可按实际需要增加厚度以提高结构强度，从而提高成品率，进一步降低成本。
4.采用零偏压低势垒肖特基二极管芯片作为射频－直流转换元件而不是采用热电偶，因而具有灵敏度高，响应时间快的优点；5.传感头中采用的三个传感元件在结构上完全相同，具有互换性。在探头装配调试过程中还可以通过精心选配来获得良好的对称性，以进一步提高各向同性特性要求。因而比之以往采用整块柔性薄膜基片制作传感元件具有更大的灵活性，便于生产实践中付诸实施，减少制造困难，从而取得更好的性能和经济效益；6.肖特基二极管芯片采用结电容Cj很小(Cj＜0.08pf)的8毫米波段管芯，使探头具有很高的工作频率上限。
7.高阻传输线由相同的三段高阻线陶瓷片组成，其基片材料和高阻线制作工艺与探头传感元件完全相同，使设计和制造过程得以简化，有利于降低成本。
8.探头输出的直流信号经过放大后由双积分型高精度A／D变换器转换为数字信号电压，驱动LCD直接显示被测场的功率密度值，读数直观、准确，同时具有功耗低，使用方便的优点，便于携带；
图1为实际体现本实用新型的宽带全向性辐射危险计等效电路图；图2为图1所示辐射危险计采用的宽带全向性探头分解图；图3为图2所示探头中采用的传感元件装配图；图4为图3所示传感元件中的RC匹配网络截面示意图；图5为图3所示传感元件中采用的电阻片结构图，在其上面有利用真空镀膜技术制作的电阻带线和导电接点图形；图6为图2所示探头中采用的连接片，用来将三个传感元件互相连接并与外电路连通。
在图1给出的宽带全向性辐射危险计等效电路图中，(3)为探头；(4)为手柄；(2)为功率密度指示器；(15)为直流放大器；(16)为A／D变换器；(17)为LCD。在探头(3)内(参见图1和图2)，三个相同的传感元件(8)、(9)和(10)封闭在由泡沫塑料制成的前罩(5)和后罩(6)之中，三个传感元件在垂直于手柄轴的方位平面内其投影按120°角等间隙分布，固定在锥形支架(7)上面，由锥形支架保证三个传感元件互相正交并与手柄轴成相同的夹角，以提供各向同性响应。在锥形支架(7)上面还固定有压板(11)和连接片(13)(参见图2和图6)，通过连接片(13)上的导电接点将三个传感元件互相串接起来，同时通过连接片中心部位的两个接点(18)、(19)将其首尾两端分别与外电路连通，接至手柄(4)内的高阻传输线。在手柄(4)上面有螺母(12)，用来将锥形支架(7)固定在手柄(4)上。
在传感元件(8)、(9)和(10)内由电阻带线(30)、(31)、(32)和肖特基二极管(45)构成一个环路(参见图1和图3)。在二极管(45)两端并联有由电容(34)、电阻(33)和电容(35)串联组成的RC网络，用来进行阻抗匹配，使在整个工作频率范围内加在肖特基二极管两端的射频电压基本上保持不变。在每个境保护环路内端有滤波电容(36)和导电接点(20)、(21)。传感元件上的电阻带线(31)和(32)阻值相同，通过它们与电场耦合来摄取电磁辐射能量。电阻带线(30)的阻值比电阻带线(31)和(32)大得多，主要起直流通路作用。
在手柄(4)中，由真空镀膜技术制作的电阻带线(39)、(40)、(41)和(42)、(43)、(44)组成两条平行高阻传输线，在其两端并联有滤波电容(37)和(38)。高阻传输线通过插头接点(26)、(27)和(28)、(29)分别与探头(3)和功率密度指示器(2)连通。
参见图1和图6。传感元件(8)上的环路通过接点(20)、(21)和连接片(13)上的相应接点(20)、(21)分别与连接片中心接点(18)和传感元件(9)上的环路接点(20)连通。传感元件(9)上的接点通过连接片(13)与传感元件(10)上的环路接点(20)连通。传感元件(10)上的环路接点(21)与连接片(13)上的中心接点(19)连通。因此，三个传感元件上的环路被串联接通构成回路。连接片(13)上的中心接点(18)和(19)则通过插头接点(26)和(27)与手柄(4)内的高阻传输线接通，经过电阻带线(39)、(40)、(41)和(42)、(43)、(44)，再通过插头接点(28)和(29)与功率密度指示器(2)连通，将探头输出信号加到功率密度指示器进行放大、变换和显示。
实施例采用本实用新型所述的宽带全向性辐射危险计的设计思想和新型结构，已经制造出一种实用样机，其监测性能可以工作在1MHz到26GHz以上的频率范围，在40GHz时仍能保持很高的灵敏度，能够实现良好的对空间辐射场的各向同性监测。而工艺制造的难度大大下降，非常有利于提高产品成品率和可靠性获得了满意的效果。
权利要求1.一种用来监测射频和微波辐射源的宽带全向性辐射危险计，它是由探头，手柄，功率密度指示器，加长电缆，记录器输出线和电池部件组成，其特征在于探头部件中的全向性传感器是由三个完全相同的传感元件相互正交安置，通过特别的连接片互相串联形成闭合回路；在手柄部件内的高阻传输线是由几段同样的高阻线陶瓷片串联而成的，高阻线陶瓷片是由制作在陶瓷片上的两条相距很近，彼此平行的薄膜电阻带线及其导电接点构成；功率密度指示器是采用了由直流放大器、A/D变换器和液晶显示器组成的数字式功率密度指示器。
2.根据权利要求1所述的带宽全向性辐射危险计，其特征在于全向性传感器中的三个相同的传感元件都是将相距很近彼此平行的薄膜电阻带线制作在刚性的氧化铝陶瓷基片材料的同一表面上。
3.根据权利要求1、2所述的带宽全向性辐射危险计，其特征在于全向性传感器中的射频－直流转换元件采用肖特基垫垒二极管，它是利用焊接的方法将二极管芯片直接跨接在电阻带线中心处的小间隙上。
专利摘要一种用于监测射频和微波辐射源场强的宽带全向性辐射危险计，由于采用新型结构的全向性探头，高阻传输线，数字式功率密度指示器，不仅提高了各向同性监测性能，而且工艺制造方便，降低了成本，提高了制造成品率和产品的可靠性，数字显示直观，使用方便。本实用新型包括宽带全向性探头、手柄、数字式功率密度指示器，加上电缆组件和记录器转出线等。
文档编号G01R29/08GK2088698SQ9021564
公开日1991年11月13日 申请日期1990年12月30日 优先权日1990年12月30日
发明者刘占武, 洪霓玉 申请人:机械电子工业部第41研究所