基于功率合成效率理论的毫米波相位变化检测方法及系统

1.本发明主要涉及毫米波功率合成与测量技术领域，具体提供一种利用相位一致性与功率合成效率之间的关系来检测毫米波相位变化的检测方法及系统。


背景技术：

2.利用电磁波的相位特性来工作的电磁系统非常多，例如无损检测技术中有很多检测方案就是利用电磁波经待测样品后反射回检测系统的信号的相位变化来分析待测样品的性能；又比如锁相环中，鉴相器就是利用两路电磁波信号之间的相位差转换成与之成比例的电信号输出；又比如在功率合成技术中，相邻两路信号之间的相对相位对于信号合成效率有着很大的影响，因此需要精确测量和控制相邻两路信号的相对相位。因此电磁波的相位以及相位的变化对于很多系统来说是需要精确把控的。但是随着微波技术的不断发展，电磁波的频段不断提高，向着毫米波甚至太赫兹波段发展，电磁波的相位特性变得难以把控和测量，频率越高，相位变化检测技术就变得越复杂，成本就变得越高。
3.目前有的微波相位检测技术一般有：通过混频技术将微波信号转变为带有原信号相位信息的低频信号从而进行检测。将一个高频信号变为一个低频信号，需要通过非线性元件构成的混频器来实现，混频以后对中频信号进行相位变化检测，相对于直接测量高频信号测量方法更容易实现，测量精度也会进一步提高，但是由于混频输出不仅包含两个信号的基频，还会产生很多新的成分，比如高次谐波、和频、差频等，因此为了获得需要的中频信号，还需要后续的滤波电路等，让整个测试系统变得复杂；通过电桥法将被测信号与参考信号在非线性元件中进行组合和混频，从而使被测信号的未知相位或未知相位变化与参考信号的相位进行比较得出两路信号的相位差。该方法通过桥接电路将两臂信号进行相干合成输出，并测量输出电压来检测两路信号的相位差，此方法虽然简单，但是桥接电路的复杂性和非线性以及输出信号与电路系统函数之间的关系不明确等因素导致整个测量系统变得复杂；通过数字示波器的直接时域测量法直接进行微波信号相位差测量。随着数字示波器技术的飞速发展，示波器带宽和采样率越来越高(实时采样率可高160gsa/s)，高采样率大幅提高了时间间隔测量的准确度，使得高带宽的数字示波器直接进行微信号相位差测量得到越来越多的应用，但是仪器的采样率以及精确度越高，测试成本也变得越高。
4.因此本发明针对现有的技术，提出一种新的思路，将电桥法中复杂的非线性电桥电路转换成一个简单的功率合成器，利用功率合成器对两路同频信号进行相干合成，由于功率合成效率与两路信号之间的相位差和幅度差有着明确的函数关系，当两路信号的幅度差已知的条件下，通过检波器测量合成输出信号的功率来计算合成效率即可得出两路信号之间的相位差，从而检测出相位特性。有效地简化了测试系统并且降低了测试成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的难点，提供一种低成本简单高效的检测毫米波相位变化的方法及系统。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种基于功率合成效率理论的毫米波相位变化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1.选择两路同频毫米波信号，将第一路毫米波信号经过校准子系统后得到参考信号将第二路毫米波信号经过待测子系统后得到预测试信号p'
test0
。
9.s2.分别检测参考信号和预测试信号p'
test0
的幅度值，得到两路信号的幅度差d0。
10.s3.将参考信号和预测试信号p'
test0
进行相干合成，得到初始输出信号p
out0
，检测初始输出信号p
out0
的功率值，并根据公式(1)计算得到初始合成效率η0。
[0011][0012]
s4.根据实际应用情况，当待测子系统发生改变后，重复步骤s1得到实际参考信号p'
ref1
和待测信号p'
test1
，调节校准子系统电路保证此时的实际参考信号p'
ref1
的相位不变，且实际参考信号p'
ref1
和待测信号p'
test1
的幅度差为d0，然后将实际参考信号p'
ref1
和待测信号p'
test1
进行相干合成，得到待测输出信号p
out1
。
[0013]
s5.检测待测输出信号p
out1
的功率值并计算得到实际合成效率η1，若实际合成效率η1与初始合成效率η0的值不同，则表示参考信号与待测信号的相位差发生变化，若实际合成效率η1与初始合成效率η0的值相同，则表示参考信号与测试信号的相位差未发生变化。
[0014]
进一步地，所述第一路毫米波信号和第二路毫米波信号的初始相位差为初始幅度差为d0＝0db。
[0015]
根据公式(2)绘制出合成效率η与幅度差d和相位差之间的关系图，如图1(b)和图1(c)，当d不变时，两路信号的信号差时η的变化率最大，系统检测相位变化的灵敏度最高，因此选择作为两路信号的初始相位差。当不变时，两路信号的幅度差d＝0db时η的变化率最大，系统检测相位变化的灵敏度最高，因此选择d＝0db作为两路信号的初始幅度差。
[0016]
一种基于上述毫米波相位变化检测方法的系统，包括功率合成器、检波器。
[0017]
所述功率合成器用于将参考信号和测试信号p'
test0
进行相干合成，得到初始输出信号p
out0
；以及将实际参考信号p'
ref1
和待测信号p'
test1
进行相干合成，得到待测输出信号p
out1
。
[0018]
所述检波器用于检测初始输出信号p
out0
和待测输出信号p
out1
的功率值。
[0019]
本发明根据如公式(2)所示的两路毫米波信号相干合成的合成效率与其幅度差d、相位差之间的函数关系，来检测待测信号的相位是否发生改变。
[0020][0021]
当两路毫米波信号同频且参考信号相位保持不变时，测试出两路信号的幅度差d
并保持不变，若待测信号的相位发生改变，则合成效率发生改变。根据该原理的检测系统能够仅由功率合成器、检波器构成，由此可简单高效低成本的检测出测试信号的相位是否发生改变。
[0022]
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0023]
(1)本发明中的毫米波相位变化检测系统简单，由工作在毫米波段的功率合成器和高精度检波器构成，两路信号通过线性相干合成，合成功率容易检测，检测成本低且操作简单。
[0024]
(2)本测试原理中的系统函数关系简单明了，不用搭建繁杂的桥接电路系统，推导繁杂的系统函数，容易实现，可用性强，可轻松用于多种需要检测相位变化的系统中。
[0025]
(3)本发明中的测试系统中的两个元器件很容易优化到很高的性能，能够确保系统的测量精度达到1
°
。
附图说明
[0026]
图1为本发明检测相位变化的原理图：(a)为原理结构图；(b)和(c)为检测原理函数关系图；
[0027]
图2为本发明实施例中检测样品是否含有缺陷的系统框图；
[0028]
图3为本发明实施例中子系统b1的仿真模型图：(a)为e面剖面图；(b)为h面剖面图；
[0029]
图4为本发明实施例中样品是否存在缺陷对输出相位的影响。
具体实施方式
[0030]
为了能够更清楚地说明本发明的目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。本实施例中详细讲解该相位变化检测方法应用于毫米波无损检测系统来检测ptfe材料(聚四氟乙烯，ε
r
＝2.55，厚度h＝λg/2＝2.69mm)是否存在缺陷，此无损检测系统工作在38.2ghz。
[0031]
如图2，该无损检测系统一共包含四个子系统。a子系统中的信号源产生一个38.2ghz的毫米波，通过3db功率分配器等分成两路信号p
test
和p
ref
。第一路信号作为测试信号p
test
输入b1子系统中，该子系统包含一个发送和接收天线，样品放置在两个天线的中间，第一路信号由发送天线发送出去，经过样品以后由接收天线接收并传入定向耦合器中，该定向耦合器后端连接匹配负载和检波器，用于实时监测第一路信号的的幅度值；第二路信号作为参考信号p
ref
输入b2子系统中，该子系统包含依次连接的衰减器、移相器和定向耦合器，同样的，该定向耦合器后端连接匹配负载和检波器，用来实时监测第二路信号的幅度值；两路信号输出后输入进c子系统中，即相位变化检测系统，该检测系统包括功率合成器和检波器，功率合成器将两路信号进行相干合成，得到的输出信号输入检波器检测功率值。
[0032]
按照图2搭建此无损检测系统，为了使该检测系统检测灵敏度最高，因此先通过系统校准使得两路信号的初始相位差为90
°
、初始幅度差为0db，具体校准步骤为：在天线中间放入作为标准样品的ptfe板，调节b2中的衰减器保证检波器1和2的测量值相等，使得两路信号的幅度差为0db，然后调节移相器，观察检波器3的测量值，当输出信号功率最大时说明此时两路信号同相，然后将移相器调整90
°
，使两路信号的初始相位差为90
°
。完成初始校准
后，计算得到此时的初始合成效率η0。
[0033]
如图3，对具有缺陷的待测样品进行检测，缺陷尺寸为：长度lx＝10mm，深度lz＝1mm，宽度ly不同。得到的检测结果如图4：当待测样品存在缺陷时，会导致通过残缺品与标准品(标准ptfe板)的信号之间存在相位差，且相位差随着频率的变化存在极值点38.2ghz，此频率对于有无缺陷的检测最为敏感，所以选择此处的频率作为工作频率。由图4可知，当缺陷宽度大于等于0.2mm时，相位差大于1
°
，检测系统可检测出此变化。因此，将系统校准后，放入待测样品，重新调整衰减器，确保此时两路信号的幅度差为0db，由检波器3测出此时的输出信号功率值并计算得到此时的功率合成效率η1，判断η1与η0是否相等从而判断待测样品是否存在缺陷。
[0034]
利用本发明的相位变化检测方法搭建的检测系统并不局限于上述实施例中的毫米波无损检测系统，比如收发天线还可以采用波导等能够收发信号的器件替代，还可用于各种需要利用相位变化来表征检测结果的检测系统，如利用信号相位变化来检测复合材料涂层的脱粘问题等。