本發(fā)明涉及一種微波探測系統(tǒng)及方法，尤其涉及基于電磁波磁分量的微波探測系統(tǒng)及方法。

背景技術：

隨著現(xiàn)代高技術的發(fā)展，微波在軍事、民用方面已得到廣泛的應用，并已在發(fā)達國家中作為重要的“軟殺傷”武器進行研制，受到人們的關注。目前現(xiàn)有的微波探測器多數(shù)是通過探測微波的電場信號來實現(xiàn)的。從設備性能來說，由于微波網絡對傳輸線的敏感性，實驗室內依靠高頻電路對微波進行相位分辨探測是極為困難的；從設備成本來說，對微波實現(xiàn)精確的相位分辨探測都依賴于昂貴的設備，價格因素是制約微波精確測試電路發(fā)展的重要原因。

基于磁分量的微波探測技術很少而且發(fā)展緩慢，較少的微波磁場探測器則是基于法拉第效應的回路線圈探測器，穿越回路線圈的總磁通變化率轉化成電壓信號后被探測，這一探測原理決定了探測器探測的是微波磁場強度，且其靈敏度與回路線圈的面積有關。導致其在亞波長尺寸上的局域探測方面存在較大困難且不利于工業(yè)集成化，亟需開發(fā)基于磁分量的微型化，可調諧及寬頻段的新型微波探測器。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決依靠高頻電路難于對微波進行相位分辨探測，且設備成本過高的問題，從而提出本發(fā)明一種微波探測系統(tǒng)及方法。

一種微波探測系統(tǒng)，包括多鐵異質結和硅基共面波導，所述硅基共面波導上設置多鐵異質結。

所述的一種微波探測系統(tǒng)，其中多鐵異質結為鐵磁金屬薄膜和鐵電單晶進行層狀復合而成的多鐵異質結。

鐵磁性物質在外磁場和微波磁場的共同作用下，滿足鐵磁共振關系時，鐵磁性物質中的磁矩單元會發(fā)生一致進動，從而會對微波產生共振吸收現(xiàn)象，該過程稱為鐵磁共振效應。由磁性薄膜和壓電材料進行二維層狀復合的結構成為多鐵異質結。可以通過外加電場的改變來調節(jié)整個結構的磁性能，實現(xiàn)磁電耦合的多維度調控。

微波探測的方法，包括：

對微波探測系統(tǒng)施加外電場E，并進行電場控制調節(jié)標定，建立外電場E與共振頻率的一一對應關系f(E)＝γ(H₀+kE)，其中H₀為外加靜磁場強度，γ為電子旋磁比，E為外電場的電場強度，k為線性系數(shù)，然后對微波探測系統(tǒng)施加未知微波；

獲取微波頻率的步驟，對已施加未知微波的微波探測系統(tǒng)進行電場掃描，獲得出現(xiàn)微波功率吸收峰處的電場強度E₁，根據外電場E與共振頻率的對應關系f(E₁)＝γ(H₀+k E₁)，獲得被探測微波的頻率f(E₁)；

獲取微波方向的步驟，對已施加未知微波的微波探測系統(tǒng)進行電場掃描，獲得出現(xiàn)微波功率吸收峰處的電場強度E₁，構建外電場E與共振頻率的關系f(E₁)＝γ(H₀+kE)sinθ，θ為未知微波入射方向與總磁場H方向的夾角，即獲得微波方向；

獲取微波相位的步驟，對已施加未知微波的微波探測系統(tǒng)進行電阻測量，所述電阻測量為測量鐵磁薄膜的電阻；獲得電阻的相位變化，微波相位與電阻變化相位一致，即獲得微波相位。

本發(fā)明通過基于鐵磁共振系統(tǒng)的微波波導，使探測原件可以實現(xiàn)集成化和小型化，工藝簡單，成本低廉，并且基于微波磁分量對微波進行探測，可以避開傳統(tǒng)的基于微波電分量的一些弊端和瓶頸，可以發(fā)展出新的微波解析和加密方法。

附圖說明

圖1為多鐵異質結的磁電耦合效應圖，其中，箭頭1為施加的外電壓，箭頭2為外電場的電場方向，箭頭3為壓電襯底產生的面內應變，箭頭4為通過界面?zhèn)鬟f給磁性薄膜的應變，箭頭5為由于應變產生的有效磁場；

圖2為一種微波探測系統(tǒng)結構示意圖，箭頭10為外加磁場方向，22為多鐵異質結，24為硅基共面波導，23為外加電場；

圖3為多鐵異質結和共面波導結構的俯視圖，22為多鐵異質結，24為硅基共面波導；

圖4為多鐵異質結和共面波導結構的截面圖，22為多鐵異質結，24為硅基共面波導；

圖5為建立電場與共振頻率的一一對應關系的調控曲線圖；

圖6為鐵磁共振頻率隨電場強度的變化曲線；

圖7為微波傳播方向探測示意圖，箭頭6為磁分量方向，7為磁場傳播方向，8為總磁場方向，其中令外磁場和有效磁場方向平行，9為對多鐵異質結系統(tǒng)的旋轉角度；

圖8為微波相位探測示意圖；

圖9為多鐵異質結金屬層面內電阻隨時間的變化曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和有點能夠更加簡明易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細說明。

具體實施方式一：結合圖1-9說明本實施方式。參照圖2-4，本具體實施例一種微波探測系統(tǒng)，包括多鐵異質結和硅基共面波導，所述硅基共面波導上設置多鐵異質結。所述的一種微波探測系統(tǒng)，其中多鐵異質結為鐵磁金屬薄膜和鐵電單晶進行層狀復合而成的多鐵異質結。

多鐵異質結的磁電耦合效應參照圖1，當對多鐵異質結施加電壓V時，在該結構的壓電襯底中就會產生電場，由于壓電效應，壓電晶體會產生應變ΔI；由于壓電襯底和鐵磁薄膜是外延附著在一起的，因此應變會通過界面?zhèn)鬟f給磁性薄膜，對磁性薄膜產生應力σ；磁性薄膜由于壓磁效應，即會在磁性薄膜內部產生有效磁場H_eff，從而實現(xiàn)了施加電壓使得磁性薄膜的磁特性發(fā)生改變的磁電耦合效應。

多鐵異質結探測微波系統(tǒng)參照圖2-4，包括多鐵異質結和硅基共面波導，所述硅基共面波導上設置多鐵異質結。其中，圖4虛線為共面波導中傳輸微波的磁分量分布示意曲線。

具體實施方式二：結合圖1-9說明本實施方式對微波探測系統(tǒng)施加外電場E，并進行電場控制調節(jié)標定，建立外電場E與共振頻率的一一對應關系f(E)＝γ(H₀+kE)，其中H₀為外加靜磁場強度，γ為電子旋磁比，E為外電場的電場強度，k為線性系數(shù)，然后對微波探測系統(tǒng)施加未知微波；

進行電場控制調節(jié)標定時，獲得圖5電場對多鐵異質結鐵磁共振頻率的調控曲線，通過在不同電場下掃頻，建立出外電場E與共振頻率的一一對應關系f(E)＝γ(H₀+kE)，如圖6所示。

獲取微波頻率的步驟，對已施加未知微波的微波探測系統(tǒng)進行電場掃描，獲得出現(xiàn)微波功率吸收峰處的電場強度E₁，根據外電場E與共振頻率的對應關系f(E₁)＝γ(H₀+k E₁)，獲得被探測微波的頻率f(E₁)；

即未知頻率微波經過多鐵異質結時，系統(tǒng)發(fā)生鐵磁共振，即出現(xiàn)微波功率吸收峰，獲得該吸收峰處的電場強度E₁，時電場強度E₁在f(E₁)＝γ(H₀+k E₁)中對應的頻率即為被探測微波的頻率。

獲取微波方向的步驟，對已施加未知微波的微波探測系統(tǒng)進行電場掃描，獲得出現(xiàn)微波功率吸收峰處的電場強度E₁，構建外電場E與共振頻率的關系f(E₁)＝γ(H₀+kE)sinθ，θ為未知微波入射方向與總磁場H方向的夾角，即獲得微波方向。

在二平面內參照圖7，基于多鐵材料平面內的各向異性，總磁場H方向與未知微波傳播方向不同，則多鐵異質結鐵磁共振吸收的強弱也會隨之呈現(xiàn)差別，當未知微波的傳播方向與H方向平行一致，即θ為0時，鐵磁共振效應最強即微波吸收能量最多，當轉動多鐵異質結時，鐵磁共振效應最強的那個方向對應該位置電磁場的傳播方向；因此在探測未知微波時，進行電場掃描，使得多鐵異質結發(fā)生鐵磁共振，然后多鐵異質結繞著圖7中垂直于面的軸線轉動，吸收最強時，H的方向即為微波傳播方向，根據構建外電場E與共振頻率的關系f(E₁)＝γ(H₀+kE)sinθ，可計算出θ為未知微波入射方向與總磁場H方向的夾角。

獲取微波相位的步驟，對已施加未知微波的微波探測系統(tǒng)進行電阻測量，所述電阻測量為測量鐵磁薄膜的電阻；獲得電阻的相位變化，微波相位與電阻變化相位一致，即獲得微波相位。

運用各向異性磁電阻效應，各向異性磁電阻效應(AMR)是指鐵磁材料的電阻率隨自身磁矩M所在直線方向和電流I所在直線方向夾角α改變而變化的現(xiàn)象。因而此時對鐵磁薄膜的電阻進行測量，磁化強度方向與電流方向的夾角會發(fā)生周期性的變化。當磁矩方向與電流方向垂直時，電子軌道面在電流方向上的投影所成散射截面最小，電阻率最??；與之相反，當磁矩與電流方向平行時有最大散射截面，電阻率最大。即夾角α越大，電阻越大。

當發(fā)生鐵磁共振時，磁矩M繞著磁場H做進動，如圖8所示。此時，夾角α發(fā)生周期性變化，根據各向異性磁電阻效應，在a、c位置處，夾角α最小，電阻最?。辉赽、d位置處，夾角α最大，電阻最大。因此電阻隨著時間的變化如圖9所示。

未知微波的相位則與電阻變化相位一致，可由電阻隨時間變化的圖中得到未知微波的相位信息。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明因使用在硅基共面波導上設置多鐵異質結的結構，使得探測元件可以實現(xiàn)集成化和小型化，能夠大大提高測量的克難攻堅分辨率。因多鐵異質結的結構為鐵磁金屬薄膜和鐵電單晶進行層狀復合而成，所以工藝簡單，成本低廉。

本發(fā)明采用全新的物理機制，基于微波磁分量對未知微波進行探測，可以避開傳統(tǒng)的基于微波電分量的弊端和瓶頸，具有突出的實質性特點和顯著的進步。