CN103605033A - X波段天线的跨频段电磁特性测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及X波段天线的跨频段电磁特性测量装置及测量方法，所述电磁特性测试装置包括：分别连接第一和第二X波段天线的测试夹具，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段波导同轴转接器连接第一和第二电缆，所述第一和第二电缆通过网络分析仪及校准件连接。该装置及方法能将多套系统简化成一套宽带测试系统，有效降低成本。

Description

X波段天线的跨频段电磁特性测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种天线材料的跨频段电磁特性测量系统，特别是涉及一种X波段天线的跨频段电磁特性测量装置及测量方法。
背景技术
材料电磁特性测量技术在信息技术、特别是军事装备及航天有关技术中具有十分重要的意义。开环天线电磁特性测试系统以非接触、非破环等优点被国内外众多科研机构所研制，其核心之一是天线。
为了保证材料电磁参数测量准确，天线应选择具有高方向性和良好驻波比性能。通常天线设计的工作频段等于或小于一个波导波段，在该波段配合测试平台、测试夹具、网络分析仪及校准件、电缆转接和测试软件等组建测试系统，能够得到理想的测试结果。
测量宽带特性材料，传统方法是组建多套开环天线电磁特性测试系统，研制多对天线，以满足不同频段的测试需要。该方法对测试平台提出了较高的要求，不仅增加了系统的复杂程度，而且成本较高。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供一种X波段天线材料的跨频段电磁特性测量方法及测量装置。不仅能在X波段(8.2GHz～12.4GHz)测量材料电磁特性，还将该天线应用于P波段(12.4GHz～18GHz)、K波段(18GHz～26.5GHz)和R波段(26.5GHz～40GHz)，在8.2GHz～40GHz频率范围测量材料的电磁参数均获得较好的测试结果。该方法是开环天线电磁特性测试系统的创新应用,将多套系统简化成一套宽带测试系统，有效降低成本。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
X波段天线的跨频段电磁特性测量方法，该测量方法包括如下步骤：
1）确定X波段天线的口面直径及端口特性；
2）确定X波段到其他波段的渐变波导段；
3）建立X波段天线电磁特性测试系统；
4）通过所述电磁特性测试系统中的网络分析仪进行全二端口校准；
5）对所述电磁特性测试系统进行空间校准；
6）通过渐变波导对所述开环电磁特性测试系统在P波段、K波段和R波段进行电磁特性测试。
所述步骤1中的X波段天线的口面直径为30cm,端口为标准3cm波导。
所述步骤2中的渐变波导的驻波比小于1.05，衰减为0.1dB。
所述步骤3中的电磁特性测试系统包括：分别连接第一和第二X波段天线的测试夹具，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段波导同轴转接器连接第一和第二电缆，所述第一和第二电缆通过网络分析仪及校准件连接。
所述电磁特性测试系统还包括第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段与第一和第二其他波段的同轴转接器连接。
X波段天线的跨频段电磁特性测量装置，所述电磁特性测试装置包括：分别连接第一和第二X波段天线的测试夹具，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段波导同轴转接器连接第一和第二电缆，所述第一和第二电缆通过网络分析仪及校准件连接。
该测量装置还包括第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段与第一和第二其他波段的同轴转接器连接。
本发明的优点在于：
通过对测量装置和测量方法的改进，将一套X波段开环材料电磁特性测量系统拓展应用到更多其他频段，测量精度不低于本频段天线开环测量系统。该测量装置和测量方法在保证测量精度的同时有效简化测量系统，降低成本。
附图说明
图1：X波段开环天线材料电磁特性测试系统组成；
图2：P波段开环天线材料电磁特性测试系统组成；
图3：K波段开环天线材料电磁特性测试系统组成；
图4：R波段开环天线材料电磁特性测试系统组成。
具体实施方式
本发明的第一个目的是提供一种X波段天线材料的跨频段电磁特性测量方法。该测量方法的具体步骤如下。
第一步：确定X波段天线的口面直径及端口特性。该X波段天线为波纹透镜天线，口面直径为30cm，端口为标准3cm波导。天线的工作频段为8.2GHz～12.4GHz，该频段内具有较好的驻波比和方向性指标。
第二步：确定X波段到其他波段的渐变波导段
X波段到P波段、X波段到K波段、X波段到R波段的渐变波导段具有较好的驻波特性和衰减特性。驻波比全频段小于1.05，衰减0.1dB。
第三步：建立X波段开环天线材料电磁特性测试系统
X波段开环天线材料电磁特性测试系统由一对X波段天线、X波段波导同轴转接器、测试平台、测试夹具、电缆、网络分析仪及校准件组成，测试系统框图如图1所示。X波段开环天线材料电磁特性测试系统要求网络分析仪配有时域选项。X波段开环天线材料电磁特性测试系统的频率范围为8.2GHz～12.4GHz。
第四步：通过所述电磁特性测试系统对X波段天线进行全二端口校准
选用X波段校准件和对应校准模型使X波段天线在波导口完成全二端口校准，按图1连接系统，调整两天线间距离，测试夹具置于天线中间，共同放置在测试平台上。两天线间距离选择满足远场条件以保证测试夹具位于两天线的远场区域，且被测材料的尺寸是该处波束宽度的3倍到5倍。设置频率范围、测量点数，点数设置的原则一般是能够使整个系统在时域的位置包含进来。
第五步：通过所述电磁特性测试系统对X波段天线材料进行空间校准
选用尺寸不小于该处波束宽度5倍，厚度已知的金属板作为短路板，将其放置在测试夹具处，进行空间反射校准，移除短路板进行空间直通校准。根据短路板在时域上的峰值位置确定测试夹具位置，设置时域门宽度将该位置取出。将被测材料放在测试夹具上，通过时域门获得被测材料的S参数，结合被测材料厚度推算其电磁参数。
本发明的测试方法还能够实现X波段天线在P波段、K波段和R波段的电磁特性测试。
A．X波段天线在P波段的测试
P波段开环天线材料电磁特性测试系统由一对X波段天线、一对X波段到P波段渐变波导段、P波段波导同轴转接器、测试平台、测试夹具、电缆、网络分析仪及校准件组成，测试系统框图如图2所示。P波段开环天线材料电磁特性测试系统要求网络分析仪配有时域选项。相比较X波段开环天线材料电磁特性测试系统，增加了一对X波段到P波段渐变波导段，将X波段波导同轴转接器替换为P波段波导同轴转接器。
P波段开环天线材料电磁特性测试系统的频率范围为12.4GHz～18GHz。具体设置要求、校准原理和测试过程同X波段开环天线材料电磁特性测试系统。
B．X波段天线在K波段的测试
K波段开环天线材料电磁特性测试系统由一对X波段天线、一对X波段到K波段渐变波导段、K波段波导同轴转接器、测试平台、测试夹具、电缆、网络分析仪及校准件组成，测试系统框图如图3所示。K波段开环天线材料电磁特性测试系统要求网络分析仪配有时域选项。相比较X波段开环天线材料电磁特性测试系统，增加了一对X波段到K波段渐变波导段，将X波段波导同轴转接器替换为K波段波导同轴转接器。
K波段开环天线材料电磁特性测试系统的频率范围为18GHz～26.5GHz。具体设置要求、校准原理和测试过程同X波段开环天线材料电磁特性测试系统。
C．X波段天线在R波段的测试
R波段开环天线材料电磁特性测试系统由一对X波段天线、一对X波段到R波段渐变波导段、R波段波导同轴转接器、测试平台、测试夹具、电缆、网络分析仪及校准件组成，测试系统框图如图4所示。R波段开环天线材料电磁特性测试系统要求网络分析仪配有时域选项。相比较X波段开环天线材料电磁特性测试系统，增加了一对X波段到R波段渐变波导段，将X波段波导同轴转接器替换为R波段波导同轴转接器。
R波段开环天线材料电磁特性测试系统的频率范围为26.5GHz～40GHz。具体设置要求、校准原理和测试过程同X波段开环天线材料电磁特性测试系统。
本发明的另一目的还提供一种X波段天线材料的跨频段电磁特性测量装置，该电磁特性测试装置包括：分别连接第一和第二X波段天线的测试夹具，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段波导同轴转接器连接第一和第二电缆，所述第一和第二电缆通过网络分析仪及校准件连接。如图1所示为X波段开环天线材料电磁特性测试系统结构示意图。
下面举例说明X波段开环天线材料电磁特性测试系统具体实施步骤。设计一对X波段波纹透镜天线，在8.2GHz～12.4GHz频率范围驻波比小于1.57，10GHz时3dB波束宽度为8.9度，10dB波束宽度为13.5度，主瓣与第一旁瓣幅度差36dB。按图1组建系统，调整两天线间距离为1.2m，测试夹具置于天线中间，共同放置在测试平台上。启动测试软件，设置测试频率为8.2GHz～12.4GHz，点数为51。首先在波导口采用SOLT方法完成全二端口校准，然后将短路板(500mm×500mm×2mm)放置于测试夹具位置，设置时域宽度为1.5ns～3ns，时域门宽度为1ns，时域门形状为Min，输入短路板厚度，进行空间反射校准；移除短路板，进行空间直通校准。将被测材料放置在测试夹具上，通过S参数及材料厚度计算得到被测材料的电磁参数。采用该系统测量标准样片聚四氟乙烯(200mm×240mm×5.3mm)得到介电常数结果为1.94～2.05，与参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。
P波段开环天线材料电磁特性测试系统具体实施步骤：采用X波段开环天线材料电磁特性测试系统中的一对X波段波纹透镜天线，其在12.4GHz～18GHz频率范围驻波比小于1.5，15GHz时3dB波束宽度为5.8度，10dB波束宽度为10.4度，主瓣与第一旁瓣幅度差31dB。按图2组建系统，调整两天线间距离为1.7m，测试夹具置于天线中间，共同放置在测试平台上。启动测试软件，设置测试频率为12.4GHz～18GHz，点数为201。首先在波导口采用SOLT方法完成全二端口校准，然后将短路板(500mm×500mm×2mm)放置于测试夹具位置，设置时域宽度为3.9ns～4.5ns，时域门宽度为1ns，时域门形状为Min，输入短路板厚度，进行空间反射校准；移除短路板，进行空间直通校准。将被测材料放置在测试夹具上，通过S参数及材料厚度计算得到被测材料的电磁参数。采用该系统测量标准样片聚四氟乙烯(200mm×240mm×5.3mm)得到介电常数结果为1.90-2.10，与参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。
K波段开环天线材料电磁特性测试系统具体实施步骤：采用X波段开环天线材料电磁特性测试系统中的一对X波段波纹透镜天线，其在18GHz～26.5GHz频率范围驻波比小于1.13，22GHz时3dB波束宽度为3.7度，10dB波束宽度为7度，主瓣与第一旁瓣幅度差30dB。按图3组建系统，调整两天线间距离为1.7m，测试夹具置于天线中间，共同放置在测试平台上。启动测试软件，设置测试频率为18GHz～26.5GHz，点数为201。首先在波导口采用SOLT方法完成全二端口校准，然后将短路板(500mm×500mm×2mm)放置于测试夹具位置，设置时域宽度为3.9ns～5ns，时域门宽度为1ns，时域门形状为Min，输入短路板厚度，进行空间反射校准；移除短路板，进行空间直通校准。将被测材料放置在测试夹具上，通过S参数及材料厚度计算得到被测材料的电磁参数。采用该系统测量标准样片聚四氟乙烯(200mm×240mm×5.3mm)得到介电常数结果为1.90-2.10，与参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。
R波段开环天线材料电磁特性测试系统具体实施步骤：采用X波段开环天线材料电磁特性测试系统中的一对X波段波纹透镜天线，其在26.5GHz～40GHz频率范围驻波比小于1.5，15GHz时3dB波束宽度为4度，10dB波束宽度为6度，主瓣与第一旁瓣幅度差20dB。按图4组建系统，调整两天线间距离为1.7m，测试夹具置于天线中间，共同放置在测试平台上。启动测试软件，设置测试频率为26.5GHz～40GHz，点数为401。首先在波导口采用SOLT方法完成全二端口校准，然后将短路板(500mm×500mm×2mm)放置于测试夹具位置，设置时域宽度为4.2ns～5ns，时域门宽度为1ns，时域门形状为Min，输入短路板厚度，进行空间反射校准；移除短路板，进行空间直通校准。将被测材料放置在测试夹具上，通过S参数及材料厚度计算得到被测材料的电磁参数。采用该系统测量标准样片聚四氟乙烯(200mm×240mm×5.3mm)得到介电常数结果为1.90-2.10，与参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.X波段天线的跨频段电磁特性测量方法，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：
1）确定X波段天线的口面直径及端口特性；
2）确定X波段到其他波段的渐变波导段；
3）建立X波段天线电磁特性测试系统；
4）通过所述电磁特性测试系统中的网络分析仪进行全二端口校准；
5）对所述电磁特性测试系统进行空间校准；
6）通过渐变波导对所述开环电磁特性测试系统在P波段、K波段和R波段进行电磁特性测试。
2.根据权利要求1所述的X波段天线的跨频段电磁特性测量方法，其特征在于，所述步骤1中的X波段天线的口面直径为30cm,端口为标准3cm波导。
3.根据权利要求1所述的X波段天线的跨频段电磁特性测量方法，其特征在于，所述步骤2中的渐变波导的驻波比小于1.05，衰减为0.1dB。
4.根据权利要求1所述的X波段天线的跨频段电磁特性测量方法，其特征在于，所述步骤3中的电磁特性测试系统包括：分别连接第一和第二X波段天线的测试夹具，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段波导同轴转接器连接第一和第二电缆，所述第一和第二电缆通过网络分析仪及校准件连接。
5.根据权利要求4所述的X波段天线的跨频段电磁特性测量方法，其特征在于，所述电磁特性测试系统还包括第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段与第一和第二其他波段的同轴转接器连接。
6.X波段天线的跨频段电磁特性测量装置，其特征在于，所述电磁特性测试装置包括：分别连接第一和第二X波段天线的测试夹具，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段波导同轴转接器连接第一和第二电缆，所述第一和第二电缆通过网络分析仪及校准件连接。
7.根据权利要求6所述的X波段天线的跨频段电磁特性测量装置，其特征在于，该测量装置还包括第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段，所述第一和第二X波段天线分别通过第一和第二X波段至其他波段的渐变波导段与第一和第二其他波段的同轴转接器连接。
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