專利名稱：寬帶全向性輻射危險計的制作方法
技術領域：
本實用新型所涉及的是用來監測射頻和微波輻射的一種寬帶全向性輻射危險計，是EMC(電磁兼容)技術領域中的一種近場測量儀器。
眾所周知，射頻和微波輻射的生物效應會導致人體組織受到傷害，而這種危險性是潛在的，不易為人們所直接感知。盡管目前國際上尚未有一個統一的輻射暴露安全限值標準，但研究表明，實際的危險電平常常是人們自身所難以覺察到的。
隨著電氣和電子技術的迅速發展，各種電氣和電子設備產生的輻射泄漏還導致彼此之間的相互干擾，限制其性能的充分發揮，使得精度下降，可靠性變差。
為了對各種輻射源進行監測，國際上通常采用一種稱為微波輻射危險計的裝置來對空間輻射場的功率密度值進行測量。這種近場測量儀器的關鍵在于高頻場強傳感器。它可以采用兩種不同的工作機制。一是采用具有高導電性表面的天線，例如偶極子天線；二是采用具有寬帶吸收特性的薄膜電阻帶線。前者因其對頻率的敏感性而使得頻帶較窄，工作頻率只能到幾千兆赫，而且天線對被測電磁場的干擾會改變場結構，增大測量誤差。后者由于電阻帶線對電磁波的吸收，其所產生的反射和散射影響極小，可看作對電磁波是“透明”的，故不會對被測電磁場產生干擾，而且電阻帶線所吸收的少量輻射能量不隨頻率而變，可以達到很寬的頻帶，所以近年來這類儀器大都采用薄膜電阻帶線作為傳感元件。目前國外的微波輻射危險計，其電阻帶線通常是制作在一種很薄的柔性介質基片上的。其缺點是工藝性差，制作困難，在使用中容易損壞，因而可靠性差；除此之外，還由于它是在基片的正反兩面都蒸發沉積電阻帶線，大大增加了工藝過程的復雜性，使成本上升；另外，為了最大限度地減小電阻帶線所構成的環路與磁場的耦合作用(即僅限于電場耦合)，這就要求基片厚度很薄(典型厚度僅為2密耳，即0.05mm左右)，因而難以采用剛性介質材料(例如常用的微波陶瓷)作為基片材料，因為這會導致基片碎裂，成品率將很低。顯然采用這種柔性基片材料存在著明顯的缺點，給寬帶全向性輻射危險計的制造和使用帶來不便。
本實用新型的目的是為克服現有的這些輻射危險計的缺點而設計的一種新型結構的寬帶全向性輻射危險計，以進一步提高這種輻射危險計的各向同性的監測性能，同時降低制造工藝的難度，提高制造成品率和產品的質量與可靠性。
本實用新型為一種寬帶全向性輻射危險計，其組成包括寬帶全向性探頭、手柄、數字式功率密度指示器、加長電纜組件和記錄器輸出線等。
探頭是由泡沫塑料防護罩和全向性傳感器構成，傳感器由三個互相正交安置的傳感元件，一個連接片，一個錐形固定支架等組成。三個傳感元件在結構上完全相同，是利用微波集成工藝在陶瓷基片上制作的薄膜混合集成電路。其中包括由真空蒸發和濺射技術沉積在陶瓷基片上的導電接點和薄膜電阻帶線，肖特基二極管芯片，RC匹配網絡以及濾波電容等。
在基片上，兩條互相平行的電阻帶線相距很近并由導電接點串聯連接。在其中一條電阻帶線的中心有一小間隙，間隙兩旁制作有兩個導電接點，供在其上裝置二極管芯片和RC匹配網絡用。
三個傳感元件上的電阻帶線通過接點與外電路連通而互相串聯，最后由連接片中心部位的兩個接點與手柄內的高阻傳輸線相接，將被測信號送到放大指示單元。三個傳感元件與手柄成相同的夾角并且彼此正交，在垂直于手柄軸的平面內其投影互成120°角均勻分布，在結構上完全對稱，以保證各向同性要求。
在傳感元件中，采用結電容Cj很小(Cj＜0.08pf)的8毫米波段肖特基二極管芯片作為射頻－直流轉換元件，使之具有很高的工作頻率上限，(肖特基二極管的工作頻率上限主要取決于其結電容Cj的數值)。
RC匹配網絡由一只薄膜電阻和二只薄膜陶瓷電容串聯組成，作為肖特基二極管的分流網絡并聯在二極管兩端。在工作頻率范圍內其阻抗隨頻率的變化與薄膜電阻帶線阻抗隨頻率的變化相匹配，使得加在二極管兩端的射頻電壓基本上保持不變，從而獲得極寬的頻率響應。也就是說，在頻率范圍的高頻段，電阻帶線中占優勢的電阻特性與分流網絡中優勢的電阻特性相匹配；在頻率范圍的低頻段，電阻帶線中占優勢的電容特性與分流網絡中占優勢的電容相匹配；在中間過渡頻率范圍，它們的復合特性彼此以一定的精確度相互跟隨變化，使得在整個工作頻率范圍內始終保持一定的分壓比，保持加在二極管上的射頻電壓基本上不隨頻率而變。
為了防止對被測場產生干擾，在手柄內裝置了三段高阻傳輸線陶瓷片。它是利用真空鍍膜技術在陶瓷基片上制作的兩條互相平行彼此相距很近的薄膜電阻帶線，其電阻與分布電容構成一個低通分布濾波器，可以濾除線上感應的射頻干擾信號。此外，在高阻傳輸線兩端還各有一只濾波電容。
功率密度指示器包括低漂移直流放大器，高精度A／D變換器和低功耗LCD三個組成部分。由探頭輸出的微弱的直流信號在功率密度指示器中經過放大和A／D變換，轉換成相應的數字電壓，驅動LCD顯示出被測場的功率密度值。
如前所述，由于三個傳感元件是互相串聯連接的，因此，由每個傳感元件產生的檢波輸出電壓在閉合回路中進行代數相加，其合成結果代表了空間被測點電場在互相正交的三個方向上的分量的合成，其數值與電波的極化和到達方向無關，而只取決于被測點場強的大小。由于二極管工作于平方律特性部分，所得結果即為被測點輻射場的功率通量密度。經過校準后，由LCD顯示被測功率密度值讀數。
概括說來，本實用新型的優點是1.傳感元件的基片材料采用剛性介質材料，即采用高純度(推薦采用99.5％以上)高致密度的氧化鋁微波陶瓷作為基片材料，它具有剛性好、氣孔率低、強度高的特點，能在其上制作出高質量的薄膜電阻帶線，提高穩定性和可靠性，克服了以往采用柔性薄膜基片存在的工藝性差和可靠性差的缺點；2.電阻帶線全部制作在陶瓷基片的同一表面上而不是制作在正反兩面上，可以大大簡化工藝過程和降低對基片材料表面狀況的要求，從而降低成本，減少工藝制作難度。
3.由于薄膜電阻帶線全部位于基片同一表面上，可將兩條互相平行的電阻帶線盡可能靠近以減小其所構成的環面與磁場的耦合作用，減小測量誤差。而基片可按實際需要增加厚度以提高結構強度，從而提高成品率，進一步降低成本。
4.采用零偏壓低勢壘肖特基二極管芯片作為射頻－直流轉換元件而不是采用熱電偶，因而具有靈敏度高，響應時間快的優點；5.傳感頭中采用的三個傳感元件在結構上完全相同，具有互換性。在探頭裝配調試過程中還可以通過精心選配來獲得良好的對稱性，以進一步提高各向同性特性要求。因而比之以往采用整塊柔性薄膜基片制作傳感元件具有更大的靈活性，便于生產實踐中付諸實施，減少制造困難，從而取得更好的性能和經濟效益；6.肖特基二極管芯片采用結電容Cj很小(Cj＜0.08pf)的8毫米波段管芯，使探頭具有很高的工作頻率上限。
7.高阻傳輸線由相同的三段高阻線陶瓷片組成，其基片材料和高阻線制作工藝與探頭傳感元件完全相同，使設計和制造過程得以簡化，有利于降低成本。
8.探頭輸出的直流信號經過放大后由雙積分型高精度A／D變換器轉換為數字信號電壓，驅動LCD直接顯示被測場的功率密度值，讀數直觀、準確，同時具有功耗低，使用方便的優點，便于攜帶；
圖1為實際體現本實用新型的寬帶全向性輻射危險計等效電路圖；圖2為圖1所示輻射危險計采用的寬帶全向性探頭分解圖；圖3為圖2所示探頭中采用的傳感元件裝配圖；圖4為圖3所示傳感元件中的RC匹配網絡截面示意圖；圖5為圖3所示傳感元件中采用的電阻片結構圖，在其上面有利用真空鍍膜技術制作的電阻帶線和導電接點圖形；圖6為圖2所示探頭中采用的連接片，用來將三個傳感元件互相連接并與外電路連通。
在圖1給出的寬帶全向性輻射危險計等效電路圖中，(3)為探頭；(4)為手柄；(2)為功率密度指示器；(15)為直流放大器；(16)為A／D變換器；(17)為LCD。在探頭(3)內(參見圖1和圖2)，三個相同的傳感元件(8)、(9)和(10)封閉在由泡沫塑料制成的前罩(5)和后罩(6)之中，三個傳感元件在垂直于手柄軸的方位平面內其投影按120°角等間隙分布，固定在錐形支架(7)上面，由錐形支架保證三個傳感元件互相正交并與手柄軸成相同的夾角，以提供各向同性響應。在錐形支架(7)上面還固定有壓板(11)和連接片(13)(參見圖2和圖6)，通過連接片(13)上的導電接點將三個傳感元件互相串接起來，同時通過連接片中心部位的兩個接點(18)、(19)將其首尾兩端分別與外電路連通，接至手柄(4)內的高阻傳輸線。在手柄(4)上面有螺母(12)，用來將錐形支架(7)固定在手柄(4)上。
在傳感元件(8)、(9)和(10)內由電阻帶線(30)、(31)、(32)和肖特基二極管(45)構成一個環路(參見圖1和圖3)。在二極管(45)兩端并聯有由電容(34)、電阻(33)和電容(35)串聯組成的RC網絡，用來進行阻抗匹配，使在整個工作頻率范圍內加在肖特基二極管兩端的射頻電壓基本上保持不變。在每個境保護環路內端有濾波電容(36)和導電接點(20)、(21)。傳感元件上的電阻帶線(31)和(32)阻值相同，通過它們與電場耦合來攝取電磁輻射能量。電阻帶線(30)的阻值比電阻帶線(31)和(32)大得多，主要起直流通路作用。
在手柄(4)中，由真空鍍膜技術制作的電阻帶線(39)、(40)、(41)和(42)、(43)、(44)組成兩條平行高阻傳輸線，在其兩端并聯有濾波電容(37)和(38)。高阻傳輸線通過插頭接點(26)、(27)和(28)、(29)分別與探頭(3)和功率密度指示器(2)連通。
參見圖1和圖6。傳感元件(8)上的環路通過接點(20)、(21)和連接片(13)上的相應接點(20)、(21)分別與連接片中心接點(18)和傳感元件(9)上的環路接點(20)連通。傳感元件(9)上的接點通過連接片(13)與傳感元件(10)上的環路接點(20)連通。傳感元件(10)上的環路接點(21)與連接片(13)上的中心接點(19)連通。因此，三個傳感元件上的環路被串聯接通構成回路。連接片(13)上的中心接點(18)和(19)則通過插頭接點(26)和(27)與手柄(4)內的高阻傳輸線接通，經過電阻帶線(39)、(40)、(41)和(42)、(43)、(44)，再通過插頭接點(28)和(29)與功率密度指示器(2)連通，將探頭輸出信號加到功率密度指示器進行放大、變換和顯示。
實施例采用本實用新型所述的寬帶全向性輻射危險計的設計思想和新型結構，已經制造出一種實用樣機，其監測性能可以工作在1MHz到26GHz以上的頻率范圍，在40GHz時仍能保持很高的靈敏度，能夠實現良好的對空間輻射場的各向同性監測。而工藝制造的難度大大下降，非常有利于提高產品成品率和可靠性獲得了滿意的效果。
權利要求1.一種用來監測射頻和微波輻射源的寬帶全向性輻射危險計，它是由探頭，手柄，功率密度指示器，加長電纜，記錄器輸出線和電池部件組成，其特征在于探頭部件中的全向性傳感器是由三個完全相同的傳感元件相互正交安置，通過特別的連接片互相串聯形成閉合回路；在手柄部件內的高阻傳輸線是由幾段同樣的高阻線陶瓷片串聯而成的，高阻線陶瓷片是由制作在陶瓷片上的兩條相距很近，彼此平行的薄膜電阻帶線及其導電接點構成；功率密度指示器是采用了由直流放大器、A/D變換器和液晶顯示器組成的數字式功率密度指示器。
2.根據權利要求1所述的帶寬全向性輻射危險計，其特征在于全向性傳感器中的三個相同的傳感元件都是將相距很近彼此平行的薄膜電阻帶線制作在剛性的氧化鋁陶瓷基片材料的同一表面上。
3.根據權利要求1、2所述的帶寬全向性輻射危險計，其特征在于全向性傳感器中的射頻－直流轉換元件采用肖特基墊壘二極管，它是利用焊接的方法將二極管芯片直接跨接在電阻帶線中心處的小間隙上。
專利摘要一種用于監測射頻和微波輻射源場強的寬帶全向性輻射危險計，由于采用新型結構的全向性探頭，高阻傳輸線，數字式功率密度指示器，不僅提高了各向同性監測性能，而且工藝制造方便，降低了成本，提高了制造成品率和產品的可靠性，數字顯示直觀，使用方便。本實用新型包括寬帶全向性探頭、手柄、數字式功率密度指示器，加上電纜組件和記錄器轉出線等。
文檔編號G01R29/08GK2088698SQ9021564
公開日1991年11月13日 申請日期1990年12月30日 優先權日1990年12月30日
發明者劉占武, 洪霓玉 申請人:機械電子工業部第41研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
