CN108872269B - 近场电磁波测量系统和多功能近场电磁波测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场电磁波测量系统，二维平面移动系统、上位机、矢量网络分析仪、升降台、水平调节装置、近场测量探头；上位机与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的输入端与近场测量探头相连，输出端与样品相连，样品放置在水平调节装置上；水平调节装置固定在升降台上；升降台固定在二维平面坐标移动系统上；近场测量探头固定于样品上方空间。本发明既可用于波导(谐振腔、光子晶体、负折射材料等)样品测量，又可以用于在开放环境中的天线样品的测量，仅需方便的调整部分部件即实现，可以有效的解决实验成本过高问题，同时用于多种样品的测量还可以有效的节约实验时间和空间。

Description

近场电磁波测量系统和多功能近场电磁波测量方法

技术领域

本发明属于微波近场测量技术领域，具体涉及一种近场电磁波测量系统和多功能近场电磁波测量方法。

背景技术

微波近场测量技术对环境要求低，不需要造价昂贵的暗室环境，也不需要对射频系统有很高的要求，对设备的要求较低，近场测量通过对样品的表面做扫描运动，采集样品近场区域辐射场的数据，然后通过近场远场变换由计算机用近场数据推出远场数据。只要保证测量精度就可得出较为准确的远场特性。

现有的技术方案是不同的样品需要选用不同的测量设备和方法，才能扫描测量样品近场的电磁波的幅度和相位，获得电磁波的分布图。

针对波导(谐振腔体、光子晶体、负折射材料)样品测量是需要有一个相对密闭的空间将电磁波束缚在空间内；这就需要一套针对波导(谐振腔体、光子晶体、负折射材料)的测量系统和方法。

对天线的测量就是一个开放型的空间测量，就需要更换另一类无束缚的测量系统和方法。这样的测试系统本身的检测方式比较单一、局限性大。针对不同样品配备不同的测量系统会增加资金成本，并且在做两个不同的测量时需要实验员对不同的两套测量系统进行调试和设置增加工作时间，并且两台不同的测试系统和方法也会造成实验空间的挤占。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的缺陷，为了解决测量系统的功能单一问题，提出一种近场电磁波测量系统和多功能近场电磁波测量方法。

本发明的近场电磁波测量系统包括：二维平面移动系统、上位机、矢量网络分析仪、升降台、水平调节装置、近场测量探头；上位机与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的输入端通过射频连接线与近场测量探头相连，矢量网络分析仪的输出端通过射频连接线与样品相连，样品放置在水平调节装置上；水平调节装置固定在升降台上；升降台固定在二维平面坐标移动系统上；近场测量探头固定于样品上方空间；所述的二维平面移动系统通过上位机控制带动升降台在X轴和 Y轴方向的移动，升降台用于调节水平调节装置的高度。

作为本发明的优选方案，所述的近场电磁波测量系统还包括可拆卸式上板束波装置；二维平面移动系统、升降台和水平调节装置均设置在所述可拆卸式上板束波装置内；可拆卸式上板束波装置包括上板、框架；所述上板为金属板；所述样品位于上板和水平调节装置之间。框架最好是用非金属，框架四个侧壁可以使用非金属的挡板，也可以不要挡板，但绝对不能要金属挡板。

作为本发明的优选方案，所述的上板中间区域开设有探测口，近场测量探头通过可拆卸式上板束波装置上的探测口后被夹持固定于样品上方空间；或者近场测量探头被夹持固定在探测口内，探头针头与上板下表面平行。

作为本发明的优选方案，所述的近场电磁波测量系统还包括可拆卸式探头夹持装置；近场测量探头通过可拆卸式探头夹持装置夹持固定于样品上方空间，可拆卸式探头夹持装置为非金属材质。

作为本发明的优选方案，所述的可拆卸式探头夹持装置包括基座固定块、光轴、支撑横杆、T型连接滑块、线缆线卡；基座固定块与二维平面移动系统的基座固定连接，基座固定块与光轴连接，光轴和支撑横杆通过T型连接滑块相连，近场测量探头通过线缆线卡夹持固定在支撑横杆上。

作为本发明的优选方案，所述的近场电磁波测量系统还包括可拆卸式探头夹持装置和可拆卸式上板束波装置；可拆卸式上板束波装置与二维平面移动系统可拆卸连接；可拆卸式上板束波装置包括上板、框架；上板为金属板；样品位于上板和水平调节装置之间；二维平面移动系统、升降台、水平调节装置和可拆卸式探头夹持装置均设置在所述框架内；上板中间区域开设有探测口；可拆卸式探头夹持装置为非金属材质；可拆卸式探头夹持装置包括光轴、T型连接滑块和支撑横杆；光轴与二维平面移动系统固定连接，光轴和支撑横杆通过T型连接滑块相连；支撑横杆位于样品上方区域设有用于夹持近场测量探头的卡夹；近场测量探头夹持固定在支撑横杆上或夹持固定在探测口内。

作为本发明的优选方案，所述的二维平面移动系统包括第一单臂直线机器人、第二单臂直线机器人、设备基座、线性导轨；所述的第一单臂直线机器人和第二单臂直线机器人均包括伺服控制器、滑轨和滑块；伺服控制器控制滑块在滑轨上进行直线运动；线性导轨和第一单臂直线机器人设置在所述的设备基座上，线性导轨和第一单臂直线机器人的滑轨呈平行设置，且两者高度相等，第二单臂直线机器人的一端固定在所述第一单臂直线机器人的滑块上，另一端以可滑动方式安装在线性导轨上，第二单臂直线机器人的滑轨与线性导轨呈垂直安装；升降台固定在第二单臂直线机器人的滑块上。

作为本发明的优选方案，所述的水平调节装置包括下平板、支撑限位板和若干水平调节件；所述的支撑限位板上表面设有与下平板形状相同的凹陷部，所述的凹陷部用于安装下平板；水平调节件固定在支撑限位板上，下平板底部由所述的若干水平调节件进行支撑。

作为本发明的优选方案，所述的下平板开设有线孔，所述支撑限位板的凹陷部内设有线槽；所述的矢量网络分析仪的输出端的同轴线通过线槽和线孔后与样品相连。

本发明还公开了所述近场电磁波测量系统的多功能测量方法：

当进行束缚场测量时，选用可拆卸式上板束波装置，将可拆卸式上板束波装置与二维平面坐标移动系统的基座相固定，二维平面移动系统、升降台、水平调节装置和样品均设置在可拆卸式上板束波装置内部；近场测量探头通过可拆卸式上板束波装置上的探测口进入测量系统内部并被夹持固定于样品上方；

当进行开放场测量时，选用可拆卸式探头夹持装置；可拆卸式探头夹持装置与二维平面坐标移动系统的基座相固定，近场测量探头通过可拆卸式探头夹持装置夹持固定于样品上方，可拆卸式探头夹持装置为非金属材质；

根据测量需求选择并安装好装置后，将样品放置于水平调节装置上面，然后通过上位机发出指令给矢量网络分析仪和伺服运动控制器，伺服运动控制器控制两个单臂机器人，单臂机器人带动升降台、水平调节装置及样品做等间距有规律的自动扫描，运动到设置的每一个坐标点做数据采集，来完成样品表面电磁波幅度和相位的数据采集工作。

本测试系统是模块化的设计，本发明的测量方法既可用于波导(谐振腔、光子晶体、负折射材料等)样品测量，又可以用于开放式的天线样品的测量，仅需方便的调整部分部件即咳咳实现，可以有效的解决实验成本过高问题，同时用于多种样品的测量还可以有效的节约实验时间和空间。

附图说明

图1为本发明实施例一波导测量图；

图2为本发明实施例二开放式天线测量图；

图3为本发明的二维平面移动系统的结构示意图；

图4为本发明的水平调节装置的结构示意图；

图5为本发明的可拆卸式探头夹持装置的结构示意图；

图6为本发明的可拆卸式上板束波装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明的近场电磁波测量系统包括：二维平面移动系统1、上位机、矢量网络分析仪、升降台2、水平调节装置3、近场测量探头；上位机与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的输入端通过射频连接线与近场测量探头相连，矢量网络分析仪的输出端通过射频连接线与样品相连，样品放置在水平调节装置3上；水平调节装置3固定在升降台2上；升降台2固定在二维平面坐标移动系统上1；近场测量探头固定于样品上方空间；所述的二维平面移动系统1 通过上位机控制带动升降台在X轴和Y轴方向移动，升降台用于调节水平调节装置的高度。将样品放置于水平调节装置上面，然后通过上位机发出指令给矢量网络分析仪和伺服运动控制器，伺服运动控制器控制两个单臂机器人，单臂机器人带动升降台、水平调节装置及样品做等间距有规律的自动扫描，运动到设置的每一个坐标点做数据采集，来完成样品表面电磁波幅度和相位的数据采集工作。整套系统中伺服运动控制器与单臂机器人相互配合使测试探头达到±0.01mm的重复定位精度，在扫描测试时，通过上位机的设置让测量系统自动完成扫描，获得很准确的测量样品表面的电磁波的场强分布及场强大小。同时一套测量系统使用不同的安装方案可以实不同样品的测量，大大节约了资金成本、实验时间及空间。

实施例1

如图1和6所示，在本实施例中，用于近场微波测量系统主要包括二维平面移动系统1、上位机、矢量网络分析仪、升降台2、水平调节装置3、近场测量探头和可拆卸式上板束波装置4，

可拆卸式上板束波装置4包括上板42、框架41；所述上板为金属板；所述样品位于上板和水平调节装置之间。框架最好是用非金属，框架四个侧壁可以使用非金属的挡板，也可以不要挡板，但不能使用金属挡板。

如图6所示，所述的上板42中间区域开设有探测口44，近场测量探头通过可拆卸式上板束波装置上的探测口44后被线卡43夹持固定于样品上方空间；或者近场测量探头被夹持固定在探测口内，探头针头与上板下表面平行。

如图3所示，所述的二维平面移动系统1包括第一单臂直线机器人13、第二单臂直线机器人14、设备基座11、线性导轨12；所述的第一单臂直线机器人和第二单臂直线机器人均包括伺服控制器141、滑轨142和滑块143；伺服控制器141控制滑块143在滑轨142上进行直线运动；线性导轨12和第一单臂直线机器人13设置在所述的设备基座上，线性导轨和第一单臂直线机器人的滑轨呈平行设置，且两者高度相等，第二单臂直线机器人14的一端固定在所述第一单臂直线机器人的滑块上，另一端以可滑动方式安装在线性导轨上，第二单臂直线机器人的滑轨与线性导轨呈垂直安装；升降台固定在第二单臂直线机器人的滑块上。通过两个伺服控制器的驱动即可实现升降台在水平面内的移动。

如图4所示，所述的水平调节装置3包括下平板32、支撑限位板31、若干水平调节件33和线缆线卡34；所述的支撑限位板上表面设有与下平板形状相同的凹陷部，所述的凹陷部用于安装下平板；水平调节件固定在支撑限位板上，下平板底部由所述的若干水平调节件进行支撑。线缆线卡34用于安装和固定同轴线。本实施例的水平调节件为调节螺栓，共4个，分布在支撑限位板的四个角落，通过手动或电动控制调节的方式调节下平板各角的高度，能适用于需要下平板平行状态的要求。

对需要束缚场样品如波导、谐振腔体、光子晶体、负折射材料等测量时，可使用本实施例的结构装置，水平调节装置与可拆卸式上板束波装置互相平行，构成一个封闭的波导结构，将样品放置于水平调节装置上面，封闭的波导结构可以将电磁波统一有序的约束在平行空间内，然后通过计算机里面的上位机发出指令给矢量网络分析仪和伺服运动控制器，伺服运动控制器控制两个单臂机器人，单臂机器人带动升降台、水平调节装置及样品做等间距有规律的自动扫描，运动到设置的每一个坐标点做数据采集，来完成我们需要的波导表面的幅度和相位的数据采集工作。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例2

如图2和图5所示，实施例2与实施例1的区别在于用可拆卸式探头夹持装置5替换实施例1中的可拆卸式上板束波装置4。近场测量探头通过可拆卸式探头夹持装置夹持固定于样品上方空间，可拆卸式探头夹持装置为非金属材质。

所述的可拆卸式探头夹持装置5包括基座固定块51、光轴52、支撑横杆54、 T型连接滑块53、线缆线卡55；基座固定块与二维平面移动系统的基座固定连接，基座固定块与光轴连接，光轴和支撑横杆通过T型连接滑块相连，近场测量探头通过线缆线卡夹持固定在支撑横杆上。

对开放式的天线样品测量时，可以使用实施例2的结构装置，装置中的支撑横杆54和线缆线卡55均为非金属材质，可以在电磁场中具有比较小的反射率，导致的结果可以很好的抑制对测量探头接收数据的影响，保证测量数据的精度，天线样品放置于水平调节装置上面并与矢量网络分析仪的输出端相连接，测量探头与矢量网络分析仪的输入端相连，测量探头通过支撑横杆上的线缆线卡后被线卡固定，然后通过计算机里面的上位机发出指令给矢量网络分析仪和伺服运动控制器，伺服运动控制器控制两个单臂机器人，单臂机器人带动升降台、水平调节装置及样品做等间距有规律的自动扫描，运动到设置的每一个坐标点做数据采集，来完成我们需要的天线表面电磁波的幅度和相位的数据采集工作。因为天线会发射一个自由的电磁场，没有金属物体在磁场中，可以避免金属的反射波来对电磁场的干扰，得出的数据精确度较高。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例3

在本实施例中，用于近场微波测量系统同时包含可拆卸式上板束波装置4 和可拆卸式探头夹持装置5，可拆卸式探头夹持装置与二维平面移动系统的基座相连；可拆卸式上板束波装置的框架底端安装滑轮；测量探头通过支撑横杆上的线缆线卡后被线卡固定，测量探头的高度位于上板所在高度和下平板所在高度之间。

可拆卸式上板束波装置4和可拆卸式探头夹持装置5的结构可分别如实施例 1和2中相应的部件结构所示。

当进行开放场测量时，将可拆卸式上板束波装置移出测量区域即可；

当进行束缚场测量时，将可拆卸式上板束波装置移入测量区域，使样品位于上板和水平调节装置之间，上板起到束波作用。

二维平面移动系统的基座两侧也可设置供滑轮滚动的滑轨。

在具体应用本发明时，当进行束缚场测量时，选用可拆卸式上板束波装置，将可拆卸式上板束波装置与二维平面坐标移动系统的基座相固定，二维平面移动系统、升降台、水平调节装置和样品均设置在可拆卸式上板束波装置内部；近场测量探头通过可拆卸式上板束波装置上的探测口进入测量系统内部并被夹持固定于样品上方；

当进行开放场测量时，选用可拆卸式探头夹持装置；可拆卸式探头夹持装置与二维平面坐标移动系统的基座相固定，近场测量探头通过可拆卸式探头夹持装置夹持固定于样品上方，可拆卸式探头夹持装置为非金属材质；

根据测量需求选择并安装好装置后，将样品放置于水平调节装置上面，然后通过上位机发出指令给矢量网络分析仪和伺服运动控制器，伺服运动控制器控制两个单臂机器人，单臂机器人带动升降台、水平调节装置及样品做等间距有规律的自动扫描，运动到设置的每一个坐标点做数据采集，来完成样品表面电磁波幅度和相位的数据采集工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，其仅用以解释本发明，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均就包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种近场电磁波测量系统，其特征在于包括：二维平面移动系统、上位机、矢量网络分析仪、升降台、水平调节装置、近场测量探头；

上位机与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的输入端通过射频连接线与近场测量探头相连，矢量网络分析仪的输出端通过射频连接线与样品相连，样品放置在水平调节装置上；水平调节装置固定在升降台上；升降台固定在二维平面坐标移动系统上；近场测量探头固定于样品上方空间；

所述的二维平面移动系统通过上位机控制带动升降台在X轴和Y轴方向移动，升降台用于调节水平调节装置的高度；

所述的近场电磁波测量系统还包括可拆卸式探头夹持装置和可拆卸式上板束波装置；可拆卸式上板束波装置与二维平面移动系统可拆卸连接；可拆卸式上板束波装置包括上板、框架；上板为金属板；样品位于上板和水平调节装置之间；二维平面移动系统、升降台、水平调节装置和可拆卸式探头夹持装置均设置在所述框架内；上板中间区域开设有探测口；可拆卸式探头夹持装置为非金属材质；可拆卸式探头夹持装置包括光轴、T型连接滑块和支撑横杆；光轴与二维平面移动系统固定连接，光轴和支撑横杆通过T型连接滑块相连；支撑横杆位于样品上方区域设有用于夹持近场测量探头的卡夹；近场测量探头夹持固定在支撑横杆上或夹持固定在探测口内。

2.根据权利要求1所述的近场电磁波测量系统，其特征在于所述的二维平面移动系统包括第一单臂直线机器人、第二单臂直线机器人、设备基座、线性导轨；所述的第一单臂直线机器人和第二单臂直线机器人均包括伺服控制器、滑轨和滑块；伺服控制器控制滑块在滑轨上进行直线运动；线性导轨和第一单臂直线机器人设置在所述的设备基座上，线性导轨和第一单臂直线机器人的滑轨呈平行设置，且两者高度相等，第二单臂直线机器人的一端固定在所述第一单臂直线机器人的滑块上，另一端以可滑动方式安装在线性导轨上，第二单臂直线机器人的滑轨与线性导轨呈垂直安装；升降台固定在第二单臂直线机器人的滑块上。

3.根据权利要求1所述的近场电磁波测量系统，其特征在于所述的水平调节装置包括下平板、支撑限位板和若干水平调节件；所述的支撑限位板上表面设有与下平板形状相同的凹陷部，所述的凹陷部用于安装下平板；水平调节件固定在支撑限位板上，下平板底部由所述的若干水平调节件进行支撑。

4.根据权利要求3所述的近场电磁波测量系统，其特征在于所述的下平板开设有线孔，所述支撑限位板的凹陷部内设有线槽；所述的矢量网络分析仪的输出端的同轴线通过线槽和线孔后与样品相连。

5.一种权利要求1所述近场电磁波测量系统的多功能测量方法，其特征在于：

当进行束缚场测量时，选用可拆卸式上板束波装置，将可拆卸式上板束波装置与二维平面坐标移动系统的基座相固定，二维平面移动系统、升降台、水平调节装置和样品均设置在可拆卸式上板束波装置内部；近场测量探头通过可拆卸式上板束波装置上的探测口进入测量系统内部并被夹持固定于样品上方；

当进行开放场测量时，选用可拆卸式探头夹持装置；可拆卸式探头夹持装置与二维平面坐标移动系统的基座相固定，近场测量探头通过可拆卸式探头夹持装置夹持固定于样品上方，可拆卸式探头夹持装置为非金属材质；

根据测量需求选择并安装好装置后，将样品放置于水平调节装置上面，然后通过上位机发出指令给矢量网络分析仪和伺服运动控制器，伺服运动控制器控制两个单臂机器人，单臂机器人带动升降台、水平调节装置及样品做等间距有规律的自动扫描，运动到设置的每一个坐标点做数据采集，来完成样品表面电磁波幅度和相位的数据采集工作。

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