微波探测装置

技术领域

本发明属于微波探测技术领域，具体地讲，涉及一种微波探测装置及其调控方法。

背景技术

目前，微波探测器是一种将交流信号转化为直流信号、继而进行微波信号探测的整流电路系统，其在远程通信、电子工业、科学研究等领域具有广泛的应用。在电子通信系统中，往往需要探测微波信号的有无或强弱来作为能否正常工作的标准。例如，无线电接收器中通常会对接收信号的强度进行测量，以调整自动增益控制电路，便于从接收器持续获取需要的输出信号，因此微波探测器构成了信号幅度测量系统的核心。目前主要采用肖特基二极管或PN结二极管作为微波探测器的元件；相对于PN结二极管，肖特基二极管的恢复时间短、正向电压低，因此在很宽的频率范围内都具有较高的探测灵敏度。

在室内低功率无线传感器供能、环境射频和微波辐射能量的再利用等领域，需要考虑宽带、低功率的微波能量的收集和转换效率高，因而对微波探测器的功耗提出更高的要求。以肖特基二极管构成的微波探测器，在微波功率探测领域已经得到广泛应用，但是功耗相对较高。目前商业上肖特基二极管的最高灵敏度为3800mV/mW。虽然采用低势垒肖特基二极管制成的超小功率计能检测0.1纳瓦级的功率信号，但是其灵敏度明显不足。因此如何检测更低强度的微波信号是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何提供一种可探测低信号强度微波的微波探测装置。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种微波探测装置，包括：

信号接收模块，用于接收微波信号并将微波信号转化为交流信号；

磁电转化模块，包括磁性隧道结，所述磁性隧道结用于将所述交流信号转换为直流信号。

优选地，所述信号接收模块包括天线以及与所述天线连接的阻抗匹配电路。

优选地，所述磁电转化模块还包括：

磁场生成装置，用于生成不同强度的磁场，以调整磁性隧道结的磁矩方向。

优选地，所述磁性隧道结包括依序层叠设置的固定磁性层、非磁性隔离层和磁性自由层。

优选地，所述磁性隧道结还包括；

第一电极层，设置于所述磁性自由层上且与所述磁性自由层电接触；

第二电极层，设置于所述固定磁性层上且与所述固定磁性层电接触。

优选地，所述磁性隧道结还包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述第一电极层和所述磁性自由层之间，所述第一电极层的朝向所述磁性自由层的表面上形成有凸柱，所述绝缘层上具有通孔，所述凸柱穿设于所述通孔且与所述磁性自由层电接触。

优选地，所述凸柱和所述通孔的数量均为多个。

优选地，所述微波探测装置还包括：

升压模块，用于放大所述直流信号；

显示模块，用于显示放大后的直流信号。

优选地，所述显示模块包括单片机和显示屏，所述单片机用于采集放大后的直流信号，并将采集的直流信号通过所述显示屏显示。

优选地，所述微波探测装置还包括：

电流调节模块，用于调节所述磁场生成装置的电流大小，以使得所述磁场生成装置产生不同强度的磁场。

(三)有益效果

本发明公开了一种微波探测装置，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本申请的微波探测装置，相比半导体的探测器件结构小很多，工作频率范围宽，单位面积范围内效率高，可以实现对低信号强度的微波进行探测，并且具有制作简单，成本低，宽频可调等特点。

附图说明

图1是本发明的实施例一的微波探测装置的原理框图；

图2是本发明的实施例一的磁性隧道结的结构图；

图3是本发明的实施例二的磁性隧道结的结构图；

图4是本发明的实施例三的磁性隧道结的结构图；

图5是本发明的实施例一微波探测装置的实验测试结果图；

图6是本发明的实施例一微波探测装置的另一实验测试结果图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

如图1所示，本发明实施例的微波探测装置包括信号接收模块10和磁电转化模块20，其中信号接收模块10用于接收微波信号并将微波信号转化为交流信号，磁电转化模块20包括磁性隧道结，磁性隧道结用于将交流信号转化为直流信号，从而完成微波信号的检测。

具体来说，如图2所示，磁性隧道结依序层叠设置的固定磁性层211、非磁性隔离层212和磁性自由层213，其中固定磁性层211的磁矩方向固定不变，磁性自由层213的磁矩方向可在电流或磁场的调控下发生变化，当固定磁性层211和磁性自由层213的磁矩方向平行时，电子可以更容易地隧穿势垒层，在这种状态下，装置具有相对较低的电阻，当固定磁性层211和磁性自由层213的磁矩方向反平行时，电子很难隧穿势垒层，在这种状态下，装置具有相对较高的电阻。进一步地，所述磁电转化模块还包括磁场生成装置，磁场生成装置用于生成不同强度的磁场，以调整磁性隧道结的磁矩方向，即调控磁性自由层213的磁矩方向。作为优选实施例，磁场生成装置可采用常见的线圈磁场，其为本领域的公知技术，在此不进行赘述。

进一步地，固定磁性层211优选为面内磁化的铁磁性层或半金属磁性层，材料可以为Co

作为优选实施例，所述信号接收模块10包括天线以及与所述天线连接的阻抗匹配电路。天线用于接收空间中的微波信号，这样空间中的电磁波变换为传输线中的导行波，即交流信号。其中阻抗匹配电路优选采用T型阻抗电路，T型阻抗电路调节电阻、电感和电容大小使得天线达到阻抗匹配。进一步地，由于磁性隧道结对每个频点响应的磁场大小不同，磁场大小影响磁性隧道结响应的频率，通过调节磁场大小使得磁性隧道结工作在最优条件，将交流信号馈入至磁性隧道结中，在磁性隧道结的自旋转移力矩的作用下，交流信号被转化为直流信号，从而完成微波信号的探测。作为优选实施例，天线可采用分形天线、微带天线和PCB天线等低剖面天线。

进一步地，如图3所示，本申请的磁性隧道结还包括第一电极层214和第二电极层215，第一电极层214设置于所述磁性自由层213上且与所述磁性自由层213电接触，作为优选实施例，第一电极层214贴合于磁性自由层213的背向非磁性隔离层212的表面上。第二电极层215设置于所述固定磁性层211上且与所述固定磁性层211电接触，作为优选实施例，第二电极层215贴合于固定磁性层211的背向非磁性隔离层212的表面上。通过设置第一电极层214和第二电极层215便于交流信号馈入至磁性隧道结中。

进一步地，如图4所示，磁性隧道结还包括绝缘层216，所述绝缘层216设置于所述第一电极层214和所述磁性自由层213之间，所述第一电极层214的朝向所述磁性自由层213的表面上形成有凸柱214a，所述绝缘层216上具有通孔，所述凸柱214a穿设于所述通孔且与所述磁性自由层213电接触。通过设置凸柱214a实现第一电极层214与磁性自由层213之间的点接触，相对于直接将第一电极层214和所述磁性自由层213面接触，点接触方式更有利于实现注入微波信号的同步，点接触输出的微波线宽比较窄，单频性好，可以和外部单一的信号更好的同步。优选地，所述凸柱214a和所述通孔的数量均为多个，例如均为两个。通孔的直径大小为30nm～50nm。如果设置多个通孔，通孔之间的间距为50nm～80nm。

进一步地，本申请的微波探测装置还包括升压模块30和显示模块40，升压模块30用于放大所述直流信号，显示模块40用于显示放大后的直流信号。具体来说，升压模块30采用倍压电路，直流信号通过倍压电路放大。显示模块40包括单片机和显示屏，单片机对直流信号进行采集，并将采集的信号通过显示屏显示出来。

需要说明的是，本申请的微波探测装置还包括底板60，底板60为高频射频板，例如R04350射频介质板，前文所述的信号接收模块10、磁电转化模块20、升压模块30和显示模块40均设置于高频射频板上。

进一步地，为了实现微波探测装置的自动化程度，本申请的磁场生成装置还包括电流调节模块，电流调节模块用于自动调节磁场生成装置的电流大小，以产生不同大小的磁场，以使得磁性隧道结在面对不同频率的微波信号时都能处于最优工作状态。当面对空间中频率未知的微波，为了有效探测微波信号，一般需要手动多次调整电流大小，以产生大小合适的磁场，从而使得磁性隧道结能有效检测到微波，这会造成较多的人力消耗。为此，本申请通过设置电流调节模块来自动调节电流大小，具体来说，可将电流划分为多个区段，当探测微波时，按照一定的顺序，例如从小至大的顺序调整磁场生成装置的电流，使其依序处于各个区段内，同时检测磁性隧道结是否产生了直流信号，如果产生了直流信号，该对应的电流区段为待选区段，并进一步地划分待选区段为多个小区段，同样地使电流处于不同小区段内，同时检测直流信号的强度，其中直流信号强度最大对应的电流区段为最优区段，即将磁场生成装置的电流调整为该最优区段内的任意数值，都能实现微波信号的有效测量。当然需要进一步指出的是，可以对最优区段进一步进行划分，以找出最合适的电流，在此不进行限制。上述调节过程可通过程序设计等方式来自动实现，并不需要手动进行调整电流大小，进一步提高了微波探测装置的自动化程度。

由于二极管存在阈值电压，大多在0.4-0.7V，隧道结没有阈值电压，可以实现更低信号的探测。为了验证本申请的微波探测装置能探测到低强度的微波信号，进行了实验测量。其中，微波信号的强度为-20dBm功率，微波信号的频率范围为10～5000MHz，该强度的微波不能被传统的二极管检测到，磁场大小范围-800Oe～800Oe，探测结果如图5所示，根据直流电压信号与微波频率的关系测试图可知，当交流电流信号通过隧道结时，交流电流信号的与磁性隧道结中由于自旋转移力矩效应所产生的自旋振荡产生共振，这样交流电流信号被转化为直流信号，则可以检测到直流电压信号的输出，可以成为实现微波探测器的基础。同时根据测试结果可知，当磁场处于不同大小时，可探测不同频率的微波信号。例如，当磁场大小为400Oe时，对频率为2000MHz的微波信号能进行有效探测。

本申请提供的微波探测装置，相比半导体的探测器件结构小很多，工作频率范围宽，单位面积范围内效率高，可以实现对低信号强度的微波进行探测，并且具有制作简单，成本低，宽频可调等特点。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。