电子技术仪表与测量
 
 
非线性结点探测器(半导体探测器,电子设备探测器)原理及实验验证
虎哥 2018-9-12 23:43:09

非线性探测器是一种非常重要的防务装备,用于探测隐藏的半导体(主要是P-N结)。

对于埋藏在墙体内的窃听器、针孔摄像头,家具、大型艺术品中的间谍装置,疑似爆炸装置中的电子引爆电路等,采用传统的X射线检查难以实施,需要相应的无损检测手段来加以探测。非线性结点探测器即用于满足这些场景的检测需求。

下图是一个非线性结点探测器产品(图片来源于网络)。

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电子装置几乎必然含有非线性节,通常为PN结。PN结在外部射频激励下,不可避免的会吸收激励信号,同时产生该信号的谐波。通过检测谐波的大小和变化规律,可以被有效的侦测。

严格来看,除真空以外的物质,包括空气,都具有非线性。强的激励可以使任何东西产生谐波,只是这种非线性非常微弱,谐波远远低于真正的非线性结。除了半导体以外,较为常见的强非线性物品是不良的电气结点。常见的例子是墙体里的钢筋接缝、接触不良的电缆接头。但是这些东西通常产生较大的三次谐波,而较少产生二次谐波。相反,在小信号场景下,PN节会显著的产生二次谐波。因此,可以通过二次和三次谐波的比例,排除大多数干扰因素。

研制非线性探测器的挑战,主要来自于设备自身产生的谐波。非线性探测器也是电子装置,而且还非常复杂,内部有大量半导体器件,它的天线和电路之间也存在各种类型的电气接触,这些东西都会产生谐波。而且,由于高度集成,这些产生谐波的零件距离探测器比被探测的物品更近,更容易被自己探测到。为了缩小体积,通常还需要用同一个天线产生激励和接收谐波,激励信号和谐波的强度相差可达160dB,即1亿倍电压,需要在如此强大的干扰下检测极其微弱的谐波信号。

为了提高谐波的强度,固然可以使用很大的激励功率。但是大的功率首先是违反无线电管理方面的法规,可能对正常通信造成干扰;其次,还会激励出更多的三次谐波,如果使用人操作不当,容易产生误判。为了减少虚警,目前的趋势是减小激励功率,提高谐波接收机灵敏度。本文是在这个思想指导下设计验证方案的。

实验方案

由于收发可以分用不同的天线,各种设备可以摊大饼式的展开,指标易于考核,因此验证相对容易。

首先我们需要一个极为纯洁的信号源,它的谐波至少不能比要探测的谐波大。但是要探测的谐波到底有多大呢?实际上各厂商都没有披露,文献披露语焉不详且差异很大,只有通过实验来或理论计算来确定,在此之前我们对此完全无知。

于是我们进行了多次实验,实验的结果是不断的刷低预期,最终预估最“优秀”的非线性的电路,其能被检测到的二次谐波再辐射也至少低于-110dBc。一个直插型二极管,由于两端的引脚形同“天线”,大约能在十厘米距离上达到这个水平。如果没有天线,则情况不妙,很可能在-120~-140dBc水平。然而没有天线或天线很短(间谍装置当然是越小越好)是常见的情况。

如果不考虑通过某些数字处理技术来消去谐波,那么,要求信号源的谐波至少需要低于被探测的谐波,考虑10dB信噪比,对信号源的谐波转移到接收机中的量提出要求,为-150dBc。

由于接收机必须对谐波放行,所以接收机不能提供什么隔离。上述谐波指标要求主要由信号源承担,考虑微带多工器也许可以承担10dB的谐波抑制,信号源本身的谐波指标应优于-140dBc。

我们比较了实验室从古代到近代的信号源,其大信号输出时,实际谐波泄漏通常以-50dBc为极限,因此需要再加装抑制度为90dB的低通滤波器。

这种滤波器比较容易实现,我们使用了一个自制的微带低通串联一个仪器用的螺旋带通滤波器来实现,低通主要用于压缩螺旋滤波器的高次馈通。由于该带通滤波器的调谐范围是1.8-2GHz,因此激励频率定为1.85GHz。

下图是滤波器

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这是该滤波器组合的测试图,可见二、三次谐波基本达到100dB的抑制。

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天线、馈线都不能产生较大谐波,通常用三阶互调指标来表征天馈系统的线性度。在实验室环境,使用优质的电缆和连接器能够把互调降到可以忽略的程度,天线则采用科创制造的平板耦合器。

激励信号依然可以被天线收到。接收机本身就是一个巨大的非线性体,由于激励信号很强,势必在接收机内部产生谐波,甚至阻塞接收机。因此,必须在信号进入接收机前抑制掉激励频率。优秀的接收机通常有80dB以上的谐波抑制,接收机前置滤波器对于激励信号的抑制度要求较低。考虑到多工器能提供至少20dB的抑制,按照150dBc的谐波转移考虑,总共需要50dB的滤波器来抑制激励。该滤波器采用mini的多层陶瓷LC滤波器,装在自制的电路板上,外包铜箔屏蔽。

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由于是验证实验,可以使用双天线,因此省去多工器。双天线之间的隔离度略低于多工器,约6dB。由于上述滤波器的指标有富余,影响不大。

实验必须使用性能良好的高灵敏度接收机。依据上文理论,如果激励功率为10dBm,接收机的灵敏度需优于-140dBm,谐波小于-80dBc。频谱仪在小分辨带宽时可以达到这个指标。

万事俱备,开始实验。

首先是搭建实验电路,还是原来的配方。

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这是信号源的设置

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这是天线,下方的用于发射,上方的用于接收。

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首先看一下二次本底,能到-140dBm。

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放一个U盘上去

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效果极为明显

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放一堆三极管上去,期待良好表现

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 然而并没有预期中的表现。

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 放一堆二极管上去

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 表现略好于三极管

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 三次谐波低于二次谐波

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推测是因为三极管体积太小,并不能良好接收激励信号,自然也就不能产生多少谐波。如果提高激励频率,可能有助于改善该现象,但对于孤立的三极管这种东西,没有太多办法。 
放一个TF卡上去看看效果:

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效果很不错

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现在可以知道,为啥国外的那些演示视频,总是喜欢用TF卡,SIM卡,U盘之类东西了吧,因为这些玩意儿效果明显。

@1176764177 对本文有较大贡献)

结论

结论

1、实验证明,非线性探测器(半导体探测器)原理上是完全可行的。

2、探测的灵敏度与被测物的类型有极大关系。被测物如果是孤立的半导体结(极端情况:裸片),效果较差。如果安装在电路中,电路上的导线起到了天线的作用,能够显著增加暴露的可能。

3、非线性探测器的制作难度将显著高于验证实验。主要是因为通常的信号源(PLL电路)谐波指标很差,远低于仪器级信号源;在小体积内实现高灵敏度、高线性的接收机也比较困难。

4、1Hz的测量带宽会导致速度极慢,使探测器的显示有明显的滞后,影响使用体验。另外,窄的带宽将对时钟稳定度提出过于苛刻的要求。因此需要降低接收机噪声以使用较大的带宽,利用FFT等技术扩大频率捕捉范围,提高速度。


[修改于 2 个月前 - 2018-09-19 10:26:58]

2018-9-14 18:18:02
虎哥(作者)
1楼

接收机需要-140dBm的灵敏度,该灵敏度在频谱仪上是用1Hz的RBW实现的(未开前放),但在探测器上这么做就很不现实,一个是速度慢,另一方面是频率稳定度没有这么高。为了对准谐波频率,需要适当的扫描或者FFT,代价同样是时间。所以目前这类探测器都不算“敏捷”,探测结果显示的滞后是比较严重的。

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2018-9-18 23:05:16
虎哥(作者)
2楼

今天对HMC830等PLL芯片的谐波情况进行了评估。下图下半屏是输出未经滤波的结果,基波2.45GHz,2次谐波-26dBc,3次谐波-36dBc。上半屏是对输出进行3次谐波带通后的结果,滤波器插损8dB,与实际表现相符,说明谐波不是基波在频谱仪内产生的。

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盖世豪杰
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