CN105352978B - 手持式吸波材料反射率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种手持式吸波材料反射率测量装置，包括：金属测试平台、待测样板或标准样板、支撑罩，弓形导轨、近场聚焦天线、吸波隔板、滑块、升降杆、推拉杆、收发模块；本发明采用近场聚焦天线——新型双对踵结构Vivaldi天线替代喇叭天线作为收、发天线，该天线体积小，重量轻，在宽频带内具有低驻波比，高增益，低旁瓣特性，能够产生近场线极化平面波，在近场模拟出远场辐射环境，使测试区域由天线远场区移到了天线近场区，减小了测试空间，而且由于待测样板与天线距离的缩小，电磁波能更为集中地照射待测样板，降低了背景反射对测试精度的影响；同时，电磁波入射、反射角度能够精确调节，提高了收、发天线定位角度的准确性，减小了操作复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及吸波材料反射率测量领域，尤其是一种在保证测试精度的同时，能减小测试空间与操作复杂度，并适用于对已涂覆于金属表面的吸波材料进行现场测试的手持式吸波材料反射率测量装置。
背景技术
随着高新技术的飞速发展，吸波材料获得了日益广泛的应用。要深入研究吸波材料就需要我们找到一种能较为准确的衡量吸波材料吸波性能的方法，常用的测试吸波材料反射率的方法有RAM(Radar Absorbing Material)反射率远场RCS(Rader Cross Section)测试法、RAM反射率样板空间平移测试法、RAM反射率弓形测试法等，其中，弓形测试法是被国内外推荐测试吸波材料的主要方法，图1所示为弓形法的示意图。
弓形测试法适合在微波暗室或一般实验室里，以扫频方式，测试RAM反射率。弓形法测试系统的工作原理是：由于吸波材料的吸波性能在不同的极化方式和不同入射角下是不同的，在测试时发射天线和接收天线工作在同一极化方式。设计弓形框架，以调节入射和接收角度。调整样板支架，使标准板成水平状态并处于弓形框圆心，测量标准板反射，然后用RAM样板取代标准板，测量RAM样板的反射，即可得RAM样板的反射率。
对于传统的弓形测试法而言，采用宽带喇叭天线作为收、发天线。基于这种方式存在以下几点不足：1、喇叭天线以及起支撑作用的弓形架及其驱动电机成本高，体积大，质量重，安装调试较为复杂，且收、发天线定位角度的准确性较差；2、待测样板需放置在均匀平面波区域，而喇叭天线辐射的平面波区域位于辐射远场区；同时收、发天线之间经由材料反射路径的距离R需满足以下条件：
其中，D为喇叭口径最大尺寸，λmin为测试最高频率对应波长。由于喇叭天线口径较大，其辐射远场区距离天线较远，导致测试所需空间较大；3、发射天线距离待测样板较远，其发出的电磁波一部分照射在待测样板上，另一部分经测试系统周围地面的来回反射会产生较大的干扰信号，因此需在测试系统周围的地面上铺设一层高性能吸波材料，以减小测试系统的背景反射，这也增大了测试空间与成本；4、当待测吸波材料已涂覆到导弹、飞机及舰船上时，传统的测试系统无法进行测试。
发明内容
本发明的目的在于提出一种手持式吸波材料反射率测量装置，采用新型双对踵结构Vivaldi天线来替代传统弓形法中的喇叭天线作为收、发天线，以减小测试空间与操作复杂度，降低背景反射对测试精度的影响，实现对样品板或已涂覆于金属表面的吸波材料在远场条件下的反射率现场测试。
为实现上述发明目的，本发明提供一种手持式吸波材料反射率测量装置，包括：金属测试平台、金属测试平台上方的待测样板或标准样板、待测样板或标准样板上方的支撑罩，支撑罩内部的弓形导轨、包括作为接收天线和发射天线的近场聚焦天线，位于接收天线和发射天线之间的吸波隔板，与所述接收天线和发射天线分别固定连接的在所述弓形导轨上滑动的滑块，位于弓形导轨中轴线的可调节高度的升降杆，一端和滑块铰接、另一端在弓形导轨中轴线上铰接在一起的等长的并由升降杆带动一同升降的推拉杆，支撑罩外部的和所述近场聚焦天线通过微波电缆连接的收发模块，所述近场聚焦天线的天线介质基板垂直于入射平面，所述天线介质基板垂直于弓形导轨所在平面且沿弓形导轨的径向设置；
作为优选方式，所述接收天线和发射天线为双对踵结构Vivaldi天线，所述天线包括介质基板、T型微带功分器，所述T型微带功分器的两路微带线输出分别连接两个微带线到平行双线的转换结构，并向右扩展形成两个关于天线中心轴线对称的对踵结构，所述T型微带功分器、微带线到平行双线的转换结构和对踵结构均位于介质基板25上下两侧；通过对踵结构后，平行双线的一馈线转换成指数渐变的附着于介质基板上侧的外脊及內脊，平行双线的另一馈线转换成指数渐变的附着于介质基板下侧的外脊及內脊；两外脊的外侧均有波纹边缘结构，两外脊末端连线的中点处连接有一基板延伸半圆。
作为优选方式，构成所述内脊及外脊的四条指数渐变曲线为指数曲线加上常数修正部分，它们满足方程：
内脊:y(x)＝±(-0.5*S1*exp(k1*x)+0.5*W1+0.5*S1+0.5*W2) (0≤x≤L1)
外脊:y(x)＝±(0.5*S1*exp(k2*x)-0.5*W1-0.5*S1+0.5*W2) (0≤x≤L2)其中y表示与所述天线中心轴线的垂直距离，x表示延x轴方向离所述平行双线末端的距离；S1为指数曲线系数，W1为连接对踵结构的微带线导带宽度，W2为所述两个对踵结构的间距，L1、L2分别为内脊、外脊的长度，k1、k2分别为內脊、外脊的指数曲线渐变率，其大小决定着指数曲线的弯曲程度。
作为优选方式，所述T型微带功分器为等幅同相输出，输入端特性阻抗为50Ω，两输出端特性阻抗均为100Ω，所述T型微带功分器的分支连接处有一开向输入端的等腰三角形槽，以获得更好的匹配。
作为优选方式，所述微带线到平行双线转换结构为：微带线的导带等宽地过渡到平行双线其中一馈线，微带线的地指数渐变地过渡到与导带等宽的平行双线另一馈线。
作为优选方式，所述升降杆为螺纹杆，与位于弓形导轨中点的螺纹孔配合。
作为优选方式，所述收发模块包括程控计算机、与所述程控计算机通过LAN口进行连接的矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪和收、发射天线之间通过微波电缆进行连接。
作为优选方式，所述程控计算机和矢量网络分析仪替换为：频率源、检波器、DSP开发板、与DSP开发板连接的触摸屏，频率源的输出连接发射天线，检波器的输入连接接收天线，DSP开发板用于控制频率源和检波器，触摸屏用于输入指令和输出结果。
作为优选方式，所述弓形导轨和推拉杆的表面、支撑罩内壁涂有吸波涂层。
作为优选方式，支撑罩的底部设有4个支撑脚。
本发明所述的手持式吸波材料反射率测量装置工作时，先后将支撑脚的底部分别贴紧标准样板(良导体平面)和待测样板的表面，测试它们的反射，采用“中华人民共和国国家军用标准，雷达吸波材料反射率测试方法，GJB 2038-94”中“弓形法”来求解RAM样板的反射率，即在某一给定频率和极化条件下，通过测量电磁波以某一角度从同一方向、同一功率密度入射到被测样板与同尺寸良导体平面二者上的反射功率之比，即可得到被测样板的反射率，见公式(1)：
其中，Γ为待测样板的反射率，Pa为待测样板的反射功率，Pm为良导体平面的反射功率。
实际测量中，并不直接测量反射功率，而是通过分别测量待测样板和良导体平面反射功率与同一参考功率的比值来得到反射率，
其中，Pr为与发射信号成正比的参考信号功率，Γa为待测样板的反射功率与参考信号功率之比，Γm为良导体平面的反射功率与参考信号功率之比。待测样板的反射率可表示为：
本发明所述的手持式吸波材料反射率测量装置在进行测量时，可根据测量角度的需要调节升降杆的高度(旋转升降杆的螺纹杆)，以此调节相应的入射角和反射角。利用此测试装置进行不同入射角度的反射率测量时，角度控制既方便又精确，同时弓形导轨尺寸减小后易于精确加工，减小了因半径变化而带来的测试误差。收、发天线间放置吸波隔板，有效减小了两天线间的直接耦合，保证了一定的测试精度。
本发明的实质是提出了一种手持式吸波材料反射率测量装置，其创新主要有以下三点：针对传统微波反射率弓形测试法测试空间大，设备质量重，安装、操作不方便，且对已涂覆于金属表面的吸波材料无法进行现场测试的缺点，1)设计了新型双对踵结构Vivaldi天线替代喇叭天线作为收、发天线，该天线体积小，重量轻，在宽频带内具有低驻波比，高增益，低旁瓣特性，能够产生近场线极化平面波，在近场模拟出远场辐射环境，使测试区域由天线远场区移到了天线近场区，减小了测试空间，而且由于待测样板与天线距离的缩小，电磁波能更为集中地照射待测样板，降低了背景反射对测试精度的影响。2)设计了手持式弓形导轨及角度调节结构，能够精确调节电磁波入射、反射角度，提高了收、发天线定位角度的准确性，减小了操作复杂度；3)使用内壁涂有高性能吸波材料的支撑罩包围测试系统，降低了罩内背景反射及罩外电磁干扰对测试精度的影响。支撑罩设有4个支撑脚，以适应表面平整度有一定恶化的待测样板。测试时支撑脚贴紧待测材料，实现了对标准待测样板或已涂覆于金属表面的吸波材料的现场测试。
附图说明
图1是传统弓形法测试系统示意图。
图2是本发明所述的一种手持式吸波材料反射率测量装置透视示意图。
图3是本发明所述的新型双对踵结构Vivaldi天线俯视图。
图4是图3所示的新型双对踵结构Vivaldi天线端口回波损耗测试结果。
图5是图3所示的新型双对踵结构Vivaldi天线E面4个频点的主极化和交叉极化辐射方向图测试结果。
1为程控计算机，2为矢量网络分析仪，3为第一微波电缆，4为第二微波电缆，5为弓形导轨，6为第一推拉杆，7为第二推拉杆，8为升降杆，9为吸波隔板，10为接收天线，11为发射天线，12为支撑罩，13为待测样板或标准样板，14为金属测试平台，15为滑块，16为T型微带功分器，17为微带线到平行双线的转换结构，18为对踵结构，19、20为内脊，21和22为外脊，23为波纹边缘结构，24为基板延伸半圆，25为天线介质基板，26为背景吸波材料。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图1是传统弓形法测试系统示意图，其中，5为弓形导轨，10为接收天线，11为发射天线，接收天线和发射天线均为喇叭天线，13为待测样板或标准样板，14为金属测试平台，26为背景吸波材料。
如图2-图5所示，本实施例提供一种手持式吸波材料反射率测量装置，包括：金属测试平台14、金属测试平台上方的待测样板或标准样板13、待测样板或标准样板上方的支撑罩12，支撑罩12内部的弓形导轨5、包括作为接收天线10和发射天线11的近场聚焦天线，位于接收天线和发射天线之间的吸波隔板9，与所述接收天线和发射天线分别固定连接的在所述弓形导轨滑动的滑块15，位于弓形导轨中轴线的可调节高度的升降杆8，一端和滑块铰接、另一端在弓形导轨中轴线上铰接在一起的等长的并由升降杆带动一同升降的推拉杆6、7，支撑罩外部的和所述近场聚焦天线通过微波电缆连接的收发模块，所述近场聚焦天线的天线介质基板垂直于入射平面，所述天线介质基板垂直于弓形导轨所在平面且沿弓形导轨的径向设置，所述升降杆为螺纹杆，与位于弓形导轨中点的螺纹孔配合。旋转螺纹杆使得升降杆8升降，推拉杆6、7旋转带动滑块15沿弓形导轨5滑动，实现同时改变电磁波入射角和反射角，且保证了两角度相等。
所述接收天线和发射天线为双对踵结构Vivaldi天线，所述天线包括介质基板25、T型微带功分器16，所述T型微带功分器16的两路微带线输出分别连接两个微带线到平行双线的转换结构17，并向右扩展形成两个关于天线中心轴线对称的对踵结构18，所述T型微带功分器16、微带线到平行双线的转换结构17和对踵结构18均位于介质基板25上下两侧；通过对踵结构18后，平行双线的一馈线转换成指数渐变的附着于介质基板25上侧的外脊21及內脊20，平行双线的另一馈线转换成指数渐变的附着于介质基板25下侧的外脊22及內脊19；外脊21、22的外侧均有波纹边缘结构23，两外脊21、22末端连线的中点处连接有一半径为R的基板延伸半圆24，半径R是通过电磁仿真软件HFSS仿真优化确定的。
构成所述内脊19、20及外脊21、22的四条指数渐变曲线为指数曲线加上常数修正部分，它们满足方程：
内脊:y(x)＝±(-0.5*S1*exp(k1*x)+0.5*W1+0.5*S1+0.5*W2) (0≤x≤L1)
外脊:y(x)＝±(0.5*S1*exp(k2*x)-0.5*W1-0.5*S1+0.5*W2) (0≤x≤L2)其中y表示与所述天线中心轴线的垂直距离，x表示延x轴方向离所述平行双线末端的距离；S1为指数曲线系数，W1为连接对踵结构的微带线导带宽度，W2为所述两个对踵结构的间距，L1、L2分别为内脊、外脊的长度，k1、k2分别为內脊、外脊的指数曲线渐变率，其大小决定着指数曲线的弯曲程度。
具体的，所述T型微带功分器16为等幅同相输出，输入端特性阻抗为50Ω，两输出端特性阻抗均为100Ω，所述T型微带功分器16的分支连接处有一开向输入端的等腰三角形槽。
具体的，所述微带线到平行双线转换结构17为：微带线的导带等宽地过渡到平行双线其中一馈线，微带线的地指数渐变地过渡到与导带等宽的平行双线另一馈线。
具体的，所述收发模块包括程控计算机1、与所述程控计算机通过LAN口进行连接的矢量网络分析仪2，所述矢量网络分析仪2和收、发射天线10、11之间通过第一微波电缆3、第二微波电缆4进行连接。
为进一步使系统小型化，所述程控计算机和矢量网络分析仪替换为：频率源、检波器、DSP开发板、与DSP开发板连接的触摸屏，频率源的输出连接发射天线，检波器的输入连接接收天线，DSP开发板用于控制频率源和检波器，触摸屏用于输入指令和输出结果。
所述弓形导轨5和推拉杆6、7的表面、支撑罩内壁涂有吸波涂层。
支撑罩12的底部设有4个支撑脚，以适应表面平整度有一定恶化的待测样板。测试时支撑脚贴紧待测材料，实现了对标准待测样板或已涂覆于金属表面的吸波材料的现场测试。
本发明所述的手持式吸波材料反射率测量装置工作时，先后将支撑罩12的底部分别贴紧标准样板(良导体平面)和待测样板的表面，测试它们的反射，采用“中华人民共和国国家军用标准，雷达吸波材料反射率测试方法，GJB 2038-94”中“弓形法”来求解RAM样板的反射率，即在某一给定频率和极化条件下，通过测量电磁波以某一角度从同一方向、同一功率密度入射到被测样板与同尺寸良导体平面二者上的反射功率之比，即可得到被测样板的反射率，见公式(1)：
其中，Γ为待测样板的反射率，Pa为待测样板的反射功率，Pm为良导体平面的反射功率。
实际测量中，并不直接测量反射功率，而是通过分别测量待测样板和良导体平面反射功率与同一参考功率的比值来得到反射率，
其中，Pr为与发射信号成正比的参考信号功率，Γa为待测样板的反射功率与参考信号功率之比，Γm为良导体平面的反射功率与参考信号功率之比。待测样板的反射率可表示为：
本发明所述的手持式吸波材料反射率测量装置在进行测量时，可根据测量角度的需要调节升降杆的高度(旋转升降杆的螺纹杆)，以此调节相应的入射角和反射角。利用此测试装置进行不同入射角度的反射率测量时，角度控制既方便又精确，同时弓形导轨尺寸减小后易于精确加工，减小了因半径变化而带来的测试误差。收、发天线间放置吸波隔板，有效减小了两天线间的直接耦合，保证了一定的测试精度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于，包括：金属测试平台(14)、金属测试平台上方的待测样板或标准样板(13)、待测样板或标准样板上方的支撑罩(12)，支撑罩内部的弓形导轨(5)、包括作为接收天线(10)和发射天线(11)的近场聚焦天线，位于接收天线和发射天线之间的吸波隔板(9)，与所述接收天线和发射天线分别固定连接的在所述弓形导轨上滑动的滑块(15)，位于弓形导轨中轴线的可调节高度的升降杆(8)，一端和滑块铰接、另一端在弓形导轨中轴线上铰接在一起的等长的并由升降杆带动一同升降的推拉杆(6,7)，支撑罩外部的和所述近场聚焦天线通过微波电缆连接的收发模块，所述近场聚焦天线的天线介质基板垂直于入射平面，所述天线介质基板垂直于弓形导轨所在平面且沿弓形导轨的径向设置；
所述接收天线和发射天线为双对踵结构Vivaldi天线，所述天线包括介质基板(25)、T型微带功分器(16)，所述T型微带功分器(16)的两路微带线输出分别连接两个微带线到平行双线的转换结构(17)，并向右扩展形成两个关于天线中心轴线对称的对踵结构(18)，所述T型微带功分器(16)、微带线到平行双线的转换结构(17)和对踵结构(18)均位于介质基板25上下两侧；通过对踵结构(18)后，平行双线的一馈线转换成指数渐变的附着于介质基板(25)上侧的外脊(21)及內脊(20)，平行双线的另一馈线转换成指数渐变的附着于介质基板(25)下侧的外脊(22)及內脊(19)；外脊(21)、(22)的外侧均有波纹边缘结构(23)，两外脊(21)、(22)末端连线的中点处连接有一基板延伸半圆(24)。
2.根据权利要求1所述的一种手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：构成所述内脊(19、20)及外脊(21、22)的四条指数渐变曲线为指数曲线加上常数修正部分，它们满足方程：
内脊:y(x)＝±(-0.5*S1*exp(k1*x)+0.5*W1+0.5*S1+0.5*W2)(0≤x≤L1)
外脊:y(x)＝±(0.5*S1*exp(k2*x)-0.5*W1-0.5*S1+0.5*W2)(0≤x≤L2)
其中y表示与所述天线中心轴线的垂直距离，x表示延x轴方向离所述平行双线末端的距离；S1为指数曲线系数，W1为连接对踵结构的微带线导带宽度，W2为所述两个对踵结构的间距，L1、L2分别为内脊、外脊的长度，k1、k2分别为內脊、外脊的指数曲线渐变率，其大小决定着指数曲线的弯曲程度。
3.根据权利要求1所述的一种手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：所述T型微带功分器(16)为等幅同相输出，输入端特性阻抗为50Ω，两输出端特性阻抗均为100Ω，所述T型微带功分器(16)的分支连接处有一开向输入端的等腰三角形槽。
4.根据权利要求1所述的一种手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：所述微带线到平行双线转换结构(17)为：微带线的导带等宽地过渡到平行双线其中一馈线，微带线的地指数渐变地过渡到与导带等宽的平行双线另一馈线。
5.根据权利要求1所述的手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：所述升降杆为螺纹杆，与位于弓形导轨中点的螺纹孔配合。
6.根据权利要求1所述的手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：所述收发模块包括程控计算机(1)、与所述程控计算机通过LAN口进行连接的矢量网络分析仪(2)，所述矢量网络分析仪(2)和收、发射天线(10)、(11)之间通过微波电缆(3)、(4)进行连接。
7.根据权利要求6所述的手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：所述程控计算机和矢量网络分析仪替换为：频率源、检波器、DSP开发板、与DSP开发板连接的触摸屏，频率源的输出连接发射天线，检波器的输入连接接收天线，DSP开发板用于控制频率源和检波器，触摸屏用于输入指令和输出结果。
8.根据权利要求1所述的手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：所述弓形导轨(5)和推拉杆(6、7)的表面、支撑罩(12)内壁涂有吸波涂层。
9.根据权利要求1所述的手持式吸波材料反射率测量装置，其特征在于：支撑罩(12)的底部设有4个支撑脚。
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