基于频率综合技术的新型微波介质检测方法分析

摘 要：本文基于频率综合技术提出了一种新型微波介质检测方法，主要是指通过微波介质检测传感器的使用，对微波介质进行检测。文章首先对微波介质检测器的设计进行分析，然后阐述微波介质检测流程，最后对硬件实现和实验验证进行研究，希望為相关行业提供借鉴。

关键词：频率综合技术;新型微波介质;传感器

介电常数是物质的重要属性，对其进行研究，具有非常高的价值。近些年，介质检测技术已经被应用于多个领域，在食品、生物和环境保护领域中取得了良好的应用效果。其中，微波介质检测技术由于具有无损性和非接触的特点，受到了人们的青睐。因此，对基于频率综合技术的新型微波介质检测方法进行分析，其意义十分重大。

一、基于紧凑型微带谐振单元的反射式振荡器设计研究

本文基于紧凑型微带谐振单元技术，设计一种反射式振荡器，并将其应用于频率综合装置之中，可以降低介质检测系统的检测成本和复杂程度。究其原因，主要是紧凑型微带谐振单元技术，频率敏感度较高，将其作为敏感元件，可以取得良好的效果。紧凑型微带谐振单元自被研究者提出以来，通过对其带阻进行使用，可以对不具利用价值的频率分量进行抑制。与此同时，紧凑型微带谐振单元还具有两个方面的特性，分别为慢波性和可植入性。这两个特性，决定了谐振单元在振荡器中应用，能够使装置电路的集成度得到提升，可以有效缩减系统的大小尺寸。因此，紧凑型微带谐振单元已经被广泛应用于有源和无源电路中[1]。

本文所使用的反射式振荡器原理如图1所示。其结构由以下部分组成：（1）晶体管;（2）谐振器;（3）偏置;（4）匹配电路。其中，电路的核心部分为晶体管。出于负阻抗产生的考虑，本文中使用了在phemt三级管源级串联反馈电容方法。提供高反射系统是谐振器的主要功能，这样一来，就可以使负阻式振荡器幅度和相位要求得到满足。偏置电路不仅可以传输能量，还能对电源噪声进行抑制，匹配电路的作用为使输出功率得到提升。将反馈式振荡器设计原理作为依据，想要确保振荡输出信号的稳定性，应该满足下述条件。

二、基于小数分频锁相环的频率综合器及介质检测流程

紧凑型微带谐振单元作为敏感元件的使用过程，如图2所示。在谐振单元上方放置需要检测的介质时，谐振单元在介质的影响下，谐振器和振荡器的频率均会出现不同程度的变化。想要在确保检测准确性的基础上，降低测量成本。故笔者结合自身经验，设计了一种基于小数分频锁相环的频率综合器。检测系统框架如图3所示。工作原理如下所述：二极管将两个方向装置与紧凑型微带谐振单元的中间位置连接到一起，构成了一种电压控制振荡器。在这个电压控制振荡器的振荡频率和偏移量，会被MUT介质常数直接影响。这个振荡器属于一种稳定频率的系统，具体表现在振荡器中设置了锁相环，通过对频率进行锁定，可以获得振荡器的最终输出频率为FSYS=N·FREF[2]。

如果不放置需要检测的物质，那么振荡器变容管的两端的控制电压就会变为0。如果将不同的介电常数物质在振荡器上方放置，那么会导致振荡器的自由振荡频率发生变化。此时，锁相环会对变容管的控制电压进行自动调整，并且还会让系统频率恢复到初始值。变容管两端的电压也会随之发生改变，变为V0+△V。由于电压和MUT相对介电常数间具有对应的关系，那么我们仅需对变化后的电压值进行测量，即可准确获得介电常数的值。再加上电压值可以使用万能表获取，因此，这种检测方法与传统检测方式相比较为简单，能够减少矢量网络分析装置的使用，从而降低了检测系统的复杂程度，检测成本也会随之下降。

三、硬件实现和验证

本文采用的晶体管为AVAGO公司生产的ATF-343143芯片，该芯片性能显著，且漏极电压和栅极电压较为稳定，具有良好的应用效果。此外，为了保证系统频率的可设置性，故采用了PLL芯片，这种芯片具有非常高的频率分辨率。与此同时，选择了一个有源晶振为鉴频鉴相器提供频率，以保证频率的稳定性，这个有源晶振的稳定度非常强。系统由两个部分组成，分别为VOO板和PLL板。并利用10-DB衰减器，将二者进行连接，其目的在于，使PLL芯片的射频输入功率要求得到满足。并在系统中配置了一个STM单片机，实现对系统的整体控制。

介电质介电常数和最终VCO控制电压之间具有正相关的关系，简言之，介电质介电常数越高，则VCO控制电压越大，反之则亦然。这样一来，我们只需对VCO电压进行测量，就可以实现对材料相对介质常数的获取，系统复杂程度也会因此而降低。

四、结论

综上所述，本文基于频率综合技术设计了一种振荡传感器，利用振荡传感器对微波介质进行检测，可以取得良好的效果。其优势主要表现为尺寸较小、灵敏度较高、且检测流程简单、检测成本和系统复杂度低等。因此，相关行业应该重视微波介质传感器的设计和研究，从而促进我国相关领域的发展。

参考文献：

[1]张伟玉，董晋峰，张国雄，等.用与门实现差频测量[J].仪器仪表学报，2015，23（04）：20-23.

[2]杨雷，李广明，康丽，等.基于多周期测量方法的气压传感器信号采集[J].仪器仪表学报，2015，21（06）：56-59.

作者简介：侯宝森（1981-），男，汉族，河南新郑人，本科，工程师，研究方向：电子信息工程。