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

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）。

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

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。

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。