CN101713798A - 复合材料内部电场分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种对复合材料内部电场分布进行测量的装置以及电场测试结果处理的软件系统，属于材料参数测量以及电磁微波实验技术领域。这套实验装置，以测试复合材料在微波照射下，其内部电场的分布规律。装置由矢量网络分析仪、位移台、电脑、平行板波导、同轴波导转换器、N型微波探头及吸波材料、支架等组成。其中支架和两块铝板、吸波材料构造出平行板波导。电磁波由网络分析仪发出，经波导转换器转换为微波向平行板波导发射。平行板波导的中心设有固定的微波探头。工作时，复合材料样品放置于平行板波导中。在电脑的控制下，位移台驱动平行板波导的一块铝板平动，带动复合材料运动，从而实现微波探头对复合材料各位置点电场幅值和相位的采集。

Description

复合材料内部电场分布测量装置

技术领域

本发明涉及一种对复合材料内部电场分布进行测量的装置以及电场测试结果处理的软件系统。属于材料参数测量以及电磁微波实验技术领域。

背景技术

在电磁场领域中，往往会遇到如何测量材料或者是物品的散射场和内部的电场分布等问题。如果能够直接测量得到材料内部电场分布和散射场分布，这将会对研究材料电磁性质带来极大的方便。另外，近年来随着超材料或者左手材料的深入研究，负折射率等非常规的现象出现，迫切需要研制一套针对复合材料，特别是新型超材料的电场分布的测量装置以数据图像一体化的处理系统。电磁波在真空或材料中是以场的形式存在。研究各种材料在电磁场中的响应，最好的方法就是捕捉、跟踪、描绘电磁波在空气中和材料内的传播路径。从原理上来看，显而易见电磁波的传播路径应该分为从馈源发出到材料表面，在材料上传播，经过材料后的走向。

目前，测量材料的负折射等奇异性质的电磁场装置主要分为以下几种类型：

1)检测电磁波入射材料后的方向

由R.A.Shelby和D.R.Smith在2001年提出的验证负折射的装置。折射是最基础的电磁波现象。一束波以任意角度入射到两种材料的界面，这束波的传播路径就会被改变一定的角度。于是，一种用于测量折射后的角度的装置就被研发出来。试样和吸波材料放在两块平行的铝板之间，铝板间距12mm，前端圆板半径为150mm。两铝板与试样之间紧密接触不留缝隙。黑色箭头表示电磁波束的传播路径。在圆板的外端是一个可以绕着圆心以每步1.5°旋转的探头。探头是一个同轴转换器。旋转探头用以探测折射后电磁波的能量。那么电磁波经过材料后的传输角度就可以被测出。优点：构简单，操作方便，可以捕捉到电磁波经过材料后的折射方向。

2)一维波导腔测量装置

由Steven A.Cummer和Bogdan-loan Popa在2004年提出的一维波导腔测量装置能更好的描绘电磁波传输路径。频率为2.6G的电磁波在波导腔中传播。一排同轴探头通过波导腔上部的开孔探入到波导腔区域，用于测量波导中间轴线上的电磁场。超材料放置于波导腔内。与Shelby等的实验装置不同之处在于，电磁场入射超材料前后的空间变化的相位和幅值大小就能被检测出来。得到这些信息后，一维的电磁波传播图就能复现出来。优点：多个探头可以测量多个空间点的电磁场相位和幅值信息，使其可以得到一维空间电磁场的传播信息。

发明内容：

本发明的目的主要是根据David R.Smith和David Schurig等人于2006年提出了二维无限大平行板测量电磁场的概念，建立了一套实验装置以及开发了数据图像处理软件，以测试复合材料在微波入射下，其内部电场的分布规律。其扩展了一维波导腔测量装置的概念，在二维的平行板波导装置中测量多个点电磁场的相位和幅值信息。测量系统由固定夹具、两平行铝板、波导同轴转换器、同轴探测天线、N型微波探头、吸波材料、矢量网络分析仪和PC机组成。适应频率段为8.2G~12.4G。两间隔为11mm的平行铝板模拟无限大平行板测试空间，下板边缘接波导同轴线转换头，从矢量网络分析仪激发的电信号经它转换为微波，入射到平行板空间中。上板中间开孔，插入同轴天线，天线探针与上铝板下表面平齐，并不露出。经由天线采集信号，回馈到矢量网络分析仪，从而组成一个测试回路。上板固定，下板在由PC机控制的位移台带动下可以做平面运动，那么下板上的被测材料就相对于探头移动。从而可以测量出空间一系列点的场强值。

有益效果：

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

电磁波由网络分析仪发出，经波导转换器转换为微波向平行板波导发射。平行板波导的中心设有固定的微波探头。工作时，复合材料样品放置于平行板波导中。在电脑的控制下，位移台驱动平行板波导的一块铝板平动，带动复合材料运动，从而实现微波探头对复合材料各位置点电场幅值和相位的采集。

对于负折射检测装置，只有折射后的方向信息，不能描述电磁波整个传播过程。而对于一维波导腔测量装置，使用的探头较多，成本增加，而且实验装置制造相对复杂，而且成型后测量点位置不可改变。本发明能克服上述两种装置的缺点，直观的得到整个电场的分布图，从而得到材料的电磁性能。

图1为复合材料内部电场分布测量装置

图中：(1)为矢量网络分析仪E8362B；

(2)为SC300位移台控制箱；

(3)为带有GPIB卡以及装有自足开发的控制软件的PC机；

(4)为隔振台；

(5)为特制的BJ-100波导；

(6)为TSA300-B电控位移台；

(7)为表面光滑的铝板；

(8)为吸波材料

(9)为可活动支撑柱；

(10)为固定上铝板的金属支架。

图2为程序部分界面。为用Visual Basic软件自行编写开发的控制程序。实现了电机运行和数据采集的同步性。

图3扫描自由空间电场图。为测量到的平面波在自由空间入射时的电场分布图。横坐标与纵坐标各为100mm，表示扫面区域为100mm的正方形区域。微波信号从横坐标中间发出，沿纵坐标传播。其值均以横坐标中间点(探头距离微波源最近的位置)为参考得到。电场值的大小通过像素的明暗来表示。因为此图为没有放试样的真空场强图，所以其应该周期性变化，由图可以验证了实验系统的准确性。

具体实施方式

本发明的目的是由下述技术方案来实现的：

由自行设计加工的固定夹具用于固定两块铝板中的上铝板(上铝板是边长为1200mm的正方形，下铝板为900mm的正方形)，上铝板在夹具的带动下能以一定的角度旋转。因此，可以打开上铝板，使其与下铝板形成一定角度，增加操作空间，以方便在下铝板表面放置被测试样。放置试样后，可以闭合上铝板使其回复与下铝板平行状态。

TSA300-B电控位移台，SC300位移台控制箱

电控位移台用于承托并控制下铝板的运动，使其相对于上铝板移动。位移台的移动步长决定了数据采集的密度，最终影响电磁场图的精度。此位移台的移动精度可以达到2.5μm，且能在平面运动。下板在位移台的带动下沿X和Y方向移动最大值为300mm，因此下铝板一直会在上铝板覆盖的范围内。控制箱向位移台发出脉冲信号，控制其运动。而控制箱的操作由自行开发编写的VB程序所控制。

吸波材料

吸波材料用于吸收边界反射回来的电磁波，消除其对材料周围电磁场的干扰。吸波材料放置于下铝板上，厚度尽量充满两板间隙而不阻碍两板运动。吸波材料裁剪为锯齿状，以增大吸波能力。锯齿的具体形状通过Ansoft HFSS模拟得到最优化角度。

矢量网络分析仪

矢量网络分析仪用于发出需要的电信号，通过波导同轴转换器转换为微波信号入射到两板之间，然后通过上铝板的天线，信号被采集转化为电信号，返回到矢量网络分析仪，结果以Sp1的格式保存。矢量网络分析仪由自行开发编写的VB程序所控制。其与PC机的通讯经由PGIB卡和并口线。

带有GPIB卡的PC机

自行编写的VB控制程序在PC机上运行，可以同时控制位移台和矢量网络分析仪。位移台先在控制下移动，然后暂停，程序向矢量网络分析仪发出采集信号和保存数据的命令，待其工作完成后，位移台又接收到新的移动信号。如此往复循环，直到预设实验测量范围结束。实验结束后，PC机上的程序对所保存的数据进行处理，最后画出被测材料电磁内场与外场图。

工作程序：

1：打开平行板的上铝板，放入被测试样。闭合，调节两板间距，保证边缘吸波材料尽量充满两板间隙。

2：连接网络分析仪、控制箱、位移台、PC机与铝板，校准网络分析仪，使其处于正常运作状态。

3：运行PC机上的程序，用以控制位移台的移动和数据的采集与处理成像。位移台每走一步，停下等待矢量网络分析仪采集数据完毕，才能走下一步。如此循环直到采集完毕。PC机上的控制程序为用Visual Basic软件自行编写开发的。

4：数据处理，得出相关图像和信息。

Claims (2)

1.一种复合材料内部电场分布测量装置，其特征在于：是在二维的平行板波导装置中测量多个点电磁场的相位和幅值信息，测量装置包括固定夹具、两平行铝板、波导同轴转换器、同轴探测天线、N型微波探头、吸波材料、矢量网络分析仪和PC机。

2.根据权利要求1所述的复合材料内部电场分布测量装置，其特征在于该测量装置适应频率段为8.2G~12.4G，两间隔为11mm的平行铝板模拟无限大平行板测试空间，下板边缘接波导同轴线转换头，从矢量网络分析仪激发的电信号经它转换为微波，入射到平行板空间中，上板中间开孔，插入同轴天线，天线探针与上铝板下表面平齐，并不露出，经由天线采集信号，回馈到矢量网络分析仪，从而组成一个测试回路，上板固定，下板在由PC机控制的位移台带动下做平面运动，下板上的被测材料相对于探头移动从而测量出空间一系列点的场强值。

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