CN109142890A - 太赫兹漏波天线测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种太赫兹漏波天线测量系统，在沟槽内放置探针天线，并在沟槽内移动探针天线，可以采集移动过程中的探针天线所处位置的振幅与相位分布信息，实现了馈源天线与辐射腔体的分离。根据互易定理外推，实现了天线远场测试。太赫兹漏波天线测量系统相比于直接改变所述发射装置中馈源天线的位置，大幅减少了对原本天线结构的破坏程度，提高了测试精度。同时简单易行，可以给馈源安装、调整提供综合的参考。在完成太赫兹漏波天线测量系统一体化测试的同时，通过探针天线的移动寻找远场增益最大处，以确定实际相位中心位置，有效解决了二维漏波天线中馈源实际相位中心修正问题。

Description

太赫兹漏波天线测量系统

技术领域

本申请涉及天线测量领域，特别是涉及一种太赫兹漏波天线测量系统。

背景技术

太赫兹二维周期漏波天线由于摆脱了复杂的馈电网络，可以在低剖面条件下实现高方向性，在太赫兹安检、光谱分析、雷达应用中受到了广泛应用。太赫兹二维周期漏波天线由顶部附着周期单元的辐射腔体与馈源组成，而同反射面天线一样，馈源的位置对二维漏波天线的性能有很大影响。理论设计时通常是固定馈源的相位中心后再对漏波天线整体进行优化，便认为是最佳馈源匹配方案。

但由于实际工况中存在的变形和装配等误差，使得馈源相位中心偏离了最佳位置。因此，通过测量来确定漏波天线的最佳馈源位置，对于获得高质量高效率的太赫兹漏波天线是至关重要的。现有的漏波天线测量系统由于馈源集成在辐射腔体内部，不能简单地移动馈源位置来实现对天线进行一体化测量。所以，现有的漏波天线测量系统不能够在完成太赫兹天线一体化测试的同时有效解决二维漏波天线中馈源实际相位中心修正的问题。

发明内容

基于此，有必要针对现有的漏波天线测量系统不能够在完成太赫兹天线一体化测试的同时有效解决二维漏波天线中馈源实际相位中心修正的问题，提供一种可以在完成太赫兹天线一体化测试的同时有效解决二维漏波天线中馈源实际相位中心修正的太赫兹漏波天线测量系统。

本申请提供一种太赫兹漏波天线测量系统包括弓形梁、发射装置、辐射腔体以及探针天线。所述发射装置设置于所述弓形梁。所述辐射腔体设置于所述弓形梁的圆心位置，所述辐射腔体内设置有沟槽。所述探针天线设置于所述沟槽。

在其中一个实施例中，所述沟槽包括沿第一方向延伸的第一子沟槽、沿第二方向延伸的第二子沟槽以及沿第三方向延伸的第三子沟槽，所述第一子沟槽、所述第二子沟槽以及所述第三子沟槽之间互相垂直且相交。

在其中一个实施例中，所述发射装置包括旋转机构、发射平台、可调支撑架、馈源天线以及透镜准直器。所述旋转机构嵌套设置于所述弓形梁，用以将所述旋转机构在所述弓形梁移动改变角度。所述发射平台与所述旋转机构靠近所述辐射腔体的一端固定连接。所述可调支撑架与所述发射平台固定连接，且所述可调支撑架与所述发射平台包围形成一个容纳空间。所述馈源天线设置于所述发射平台，且设置于所述容纳空间内。所述透镜准直器与所述可调支撑架连接，用以调节所述透镜准直器的位置。

在其中一个实施例中，所述辐射腔体靠近所述发射装置的表面间隔设置有多个金属片。

在其中一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统包括支撑架。所述支撑架设置于所述弓形梁底端，用以支撑所述弓形梁。

在其中一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统还包括吸波材料层。所述吸波材料层设置于所述弓形梁与所述辐射腔体周围，用以减小所述太赫兹漏波天线测量系统周围的噪声影响。

在其中一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统还包括地面测试平台。所述地面测试平台设置于所述弓形梁的圆心位置处，用以放置所述辐射腔体。

在其中一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统还包括矢量网络分析仪。所述矢量网络分析仪的一端口与所述馈源天线连接，所述矢量网络分析仪的另一端口与所述探针天线连接。

在其中一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统还包括控制器。所述控制器与所述矢量网络分析仪连接。

在其中一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统还包括驱动装置。所述驱动装置的输出端与所述发射装置连接，所述驱动装置的输入端与所述计算机控制器连接，用以驱动所述发射装置在所述弓形梁上移动。

本申请提供一种太赫兹漏波天线测量系统，在所述沟槽内放置所述探针天线，并在所述沟槽内移动所述探针天线，可以采集在移动过程中的所述探针天线所处位置的振幅与相位分布信息，实现了所述馈源天线与所述辐射腔体的分离。根据互易定理外推，实现了天线远场测试。相比于直接改变所述发射装置中馈源天线的位置，大幅减少了对原本天线结构的破坏程度，提高了测试精度。同时简单易行，可以给馈源安装、调整提供综合的参考。

在完成所述太赫兹漏波天线测量系统一体化测试的同时，通过所述探针天线的移动寻找远场增益最大处，以确定实际相位中心位置，有效解决了二维漏波天线中馈源实际相位中心修正问题。所述太赫兹漏波天线测量系统可用于太赫兹波段、毫米波段二维漏波天线辐射特性、频率选择表面的透射特性的测量，不需要大量制造天线样品进行测试，大幅降低了成本。

附图说明

图1为本申请提供的太赫兹漏波天线测量系统整体结构图；

图2为本申请提供的太赫兹漏波天线测量系统中辐射腔体结构示意图；

图3为本申请提供的太赫兹漏波天线测量系统的相位中心偏移增益图。

附图标记说明

太赫兹漏波天线测量系统100、弓形梁10、发射装置20、辐射腔体30、沟槽310、探针天线40、第一子沟槽311、第二子沟槽312、第三子沟槽313、旋转机构210、发射平台220、可调支撑架230、容纳空间231、馈源天线240、透镜准直器250、金属片320、支撑架50、吸波材料层60、地面测试平台70、矢量网络分析仪80、控制器90、驱动装置910。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请提供一种太赫兹漏波天线测量系统100包括弓形梁10、发射装置20、辐射腔体30以及探针天线40。所述发射装置20设置于所述弓形梁10。所述辐射腔体30设置于所述弓形梁10的圆心位置，所述辐射腔体30内设置有沟槽310。所述探针天线40设置于所述沟槽310。

所述发射装置20设置于所述弓形梁10，且所述发射装置20可以在所述弓形梁10上进行移动，以此来改变入射到所述辐射腔体30入射波的角度。太赫兹信号从所述发射装置20发射，所述发射装置20可以在0°～180°范围内进行移动。

根据远场测量中的互易定理可知，位于所述辐射腔体30内部处馈源天线所激励的远场辐射强度等于由远场处的相同馈源天线在所述辐射腔体30内部处所激励的辐射强度。在所述沟槽310内放置所述探针天线40，并在所述沟槽310内移动所述探针天线40，可以采集移动过程中的所述探针天线40所处位置的振幅与相位分布信息，实现了馈源天线与所述辐射腔体30的分离。根据互易定理外推，实现了天线远场测试。相比于直接改变所述发射装置20中馈源天线的位置，大幅减少了对原本天线结构的破坏程度，提高了测试精度。同时简单易行，可以给馈源安装、调整提供综合的参考。

在完成所述太赫兹漏波天线测量系统100一体化测试的同时，通过所述探针天线40的移动寻找远场增益最大处，以确定实际相位中心位置，有效解决了二维漏波天线中馈源实际相位中心修正问题。所述太赫兹漏波天线测量系统100可用于太赫兹波段、毫米波段二维漏波天线辐射特性、频率选择表面的透射特性的测量，不需要大量制造天线样品进行测试，大幅降低了成本。

在一个实施例中，所述发射装置20包括旋转机构210、发射平台220、可调支撑架230、馈源天线240以及透镜准直器250。所述旋转机构210嵌套设置于所述弓形梁10，用以将所述旋转机构210在所述弓形梁10移动改变角度。所述发射平台220与所述旋转机构210靠近所述辐射腔体30的一端固定连接。所述可调支撑架230与所述发射平台220固定连接，且所述可调支撑架230与所述发射平台220包围形成一个容纳空间231。所述馈源天线240设置于所述发射平台220，且设置于所述容纳空间231内。所述透镜准直器250与所述可调支撑架230连接，用以调节所述透镜准直器250的位置。

所述旋转机构210可以通过齿轮齿条啮合安装在所述弓形梁10上，并且通过步进电机驱动所述旋转机构210在所述弓形梁10上移动。所述发射平台220上设置有所述馈源天线240，用以将太赫兹信号从所述馈源天线240发射。同时，所述馈源天线240的位置可以通过所述透镜准直器250进行校正，使得所述馈源天线240的相位中心位置与所述透镜准直器250的焦点位置重合，从而以θ角度发射的入射波为平面波。并且，所述可调支撑架230可以调节前后距离，用以改变所述透镜准直器250的前后位置。

远场规定为，在自由空间波长λ下，相对于天线的最大口径D，距离R需满足R>2D²/λ。然而，太赫兹漏波天线属于电大结构，远场距离需要在百米以上才能获得较好质量的平面波束。所述发射装置20采用基于所述透镜准直器250的紧缩场方法，减小了所述太赫兹漏波天线测量系统100的体积，减小了空间占用率。

通过调整所述发射平台220上设置的所述馈源天线240的位置以及所述可调支撑架230前后距离，可以使得馈源相位中心位于所述透镜准直器250焦点，用以来获得较大静区的准平面波束。当馈源相位中心位置与所述透镜准直器250的焦点位置重合时，以θ(0°～180°)角度入射到所述辐射腔体30的入射波为平面波。当所述探针天线40在x方向的所述第一子沟槽311或y方向的所述第二子沟槽312水平移动距离d时，相位差为

当所述探针天线40在z方向的所述第三子沟槽313垂直移动距离d时，相位差为

因此，在所述发射平台220上移动所述馈源天线240时，如果所述探针天线40的采样得到的相位差满足上述两公式，当前所述透镜准直器250的焦点位置馈源相位中心位置。

太赫兹信号从所述馈源天线240发射，并通过所述透镜准直器250进行校正。通过所述旋转机构210可以带动所述馈源天线240在0°～180°范围内进行移动。由于所述沟槽310内放置有所述探针天线40，可以在所述沟槽310内移动所述探针天线40，同时实时采集移动过程中的所述探针天线40所处位置的振幅与相位分布信息，实现了所述馈源天线240与所述辐射腔体30的分离。根据互易定理外推，实现了天线远场测试。在完成所述太赫兹漏波天线测量系统100一体化测试的同时，通过所述探针天线40的移动寻找远场增益最大处，以确定实际相位中心位置，有效解决了二维漏波天线中馈源实际相位中心修正的太赫兹漏波天线测量系统。

请参见图2，在一个实施例中，所述沟槽310包括沿第一方向延伸的第一子沟槽311、沿第二方向延伸的第二子沟槽312以及沿第三方向延伸的第三子沟槽313。所述第一子沟槽311、所述第二子沟槽312以及所述第三子沟槽313之间互相垂直且相交。

其中，所述第一方向为x方向，所述第二方向为y方向，所述第三方向为z方向。所述第一子沟槽311、所述第二子沟槽312以及所述第三子沟槽313分别设置在沿x、y、z三个方向上，且彼此之间相互垂直，且共原点，用以放置并移动所述探针天线40。

所述辐射腔体30为横截面为矩形的介质棒(例如硅波导)。在所述辐射腔体30内部分别刻蚀x方向的所述第一子沟槽311、y方向的所述第二子沟槽312以及z方向的所述第三子沟槽313，从而可以使得所述探针天线40在所述辐射腔体30内x、y、z内移动。通过将所述探针天线40在所述辐射腔体30内x、y、z内移动可以实现所述馈源天线240与所述辐射腔体30的分离，并通过互易定理外推完成天线远场测试。同时，通过所述探针天线40的移动寻找远场增益最大处，以确定实际相位中心位置。

其中，所述第一子沟槽311、所述第二子沟槽312以及所述第三子沟槽313设置于所述辐射腔体30的理论相位中心处。天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为天线的理论相位中心。在测量的过程中，可以分别在x、y、z三方向移动所述探针天线40，以此来确定实际相位中心位置。

通过在所述辐射腔体30内部分别刻蚀x、y、z方向的沟槽，可以使得所述探针天线40在不同方向进行移动，相比于直接改变所述馈源天线240的位置，大幅减少了对原本天线结构的破坏程度，提高了所述太赫兹漏波天线测量系统100的测试精度。同时，所述太赫兹漏波天线测量系统100在测量时简单易行，可以给馈源安装、调整提供综合的参考。

在一个实施例中，所述探针天线40可以为2mm*1mm。

在一个实施例中，所述辐射腔体30靠近所述发射装置20的表面间隔设置有多个金属片320。

所述辐射腔体30为横截面为矩形的实心介质材料，在所述辐射腔体30的表面上周期的镀覆上多个矩形所述金属片320。当电磁波沿行波结构传播时，通过沿所述辐射腔体30不断的产生辐射，此时通过所述辐射腔体30的多个所述金属片320形成漏波。

在一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统100包括支撑架50。所述支撑架50设置于所述弓形梁10底端，用以支撑所述弓形梁10。

在一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统100还包括吸波材料层60。所述吸波材料层60设置于所述弓形梁10与所述辐射腔体30周围，用以减小所述太赫兹漏波天线测量系统100周围的噪声影响。

所述吸波材料层60为吸波材料，铺设于所述弓形梁10与所述辐射腔体30周围，从而使得所述吸波材料铺设在所述探针天线40的四周，用来吸收或者大幅减弱投射到吸波材料表面的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰。

在一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统100还包括地面测试平台70。所述地面测试平台70设置于所述弓形梁10的圆心位置处，用以放置所述辐射腔体30。

同时，所述吸波材料层60设置于所述地面测试平台70周围，用来吸收或者大幅减弱投射到吸波材料表面的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰。

在一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统100还包括矢量网络分析仪80。所述矢量网络分析仪80的一端口与所述馈源天线240连接，所述矢量网络分析仪80的另一端口与所述探针天线40连接。

所述矢量网络分析仪80是一种电磁波能量的测试设备，可以检测参数幅值，又能测相位。通过将所述馈源天线240以及所述探针天线40与所述矢量网络分析仪80连接，可以获得关于天线的所处位置的振幅与相位分布信息以及变化情况。

在一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统100还包括控制器90。所述控制器90与所述矢量网络分析仪80连接。所述控制器90为计算机，用以进行数据处理和控制所述步进电机驱动所述旋转机构210在所述弓形梁10上移动。

通过太赫兹信号源产生太赫兹信号，太赫兹信号从与所述矢量网络分析仪80连接的所述馈源天线240发出，由所述透镜准直器250变换为准平面波后，到达所述地面测试平台70上的所述辐射腔体30。部分能量透射到位于所述辐射腔体30内部的所述探针天线40处，透射信号经所述探针天线40与所述矢量网络分析仪80传输至所述控制器90。所述矢量网络分析仪80对采集的数据进行处理获得所述探针天线40所处位置的振幅与相位分布信息，并传输至所述控制器90，从而通过所述控制器90进行数据处理，并通过远场数据转换，进而得到远场特性。

同时，通过获得的远场特性，根据互易定理外推，获取在当前相位中心条件下的天线远场方向图，从而获得漏波天线的方向图、增益、轴比等辐射特性。

在一个实施例中，所述太赫兹漏波天线测量系统100还包括驱动装置910。所述驱动装置910的输出端与所述发射装置20连接，所述驱动装置910的输入端与所述计算机控制器90连接，用以驱动所述发射装置20在所述弓形梁10上移动。

所述驱动装置910可以为步进电机。所述旋转机构210通过齿轮齿条啮合安装在所述弓形梁10上，并且通过步进电机驱动所述旋转机构210在所述弓形梁10上移动。所述驱动装置910与所述控制器90连接，通过所述控制器90编程的方式控制步进电机，从而移动所述旋转机构210。通过所述控制器90以及所述驱动装置910可以控制所述发射装置20在所述弓形梁10上移动，从而在0°～180°范围内改变入射角度，实现不同角度斜入射，提高了所述太赫兹漏波天线测量系统100对角度控制的精度，并且实现了更加智能化操作。

在通过所述太赫兹漏波天线测量系统100进行测试时，首先将所述馈源天线240固定在所述发射平台220上，并移动所述地面测试平台70的所述探针天线40进行采样。根据采样结果计算所述馈源天线240的相位中心位置，从而可以调整所述馈源天线240的位置使得所述馈源天线240的相位中心位置与所述透镜准直器250的焦点位置重合。此时，所述探针天线40在给定范围内移动时，采集信号的振幅与相位按平面波入射情况变化，不需要大量制造天线样品进行测试，大幅降低了成本。

当馈源相位中心位置与所述透镜准直器250的焦点位置重合时，校准完成。此时将待测漏波天线的所述辐射腔体30放置于所述地面测试平台70上，太赫兹信号源产生太赫兹信号从所述馈源天线240上发出，由所述透镜准直器250变换为准平面波后，到达测试平台，部分能量透射到位于所述辐射腔体30内部的所述探针天线40处。透射信号经所述探针天线40与所述矢量网络分析仪80上传至所述控制器90。通过上述方法，在0°～180°入射角度下采集所述探针天线40所处位置的振幅与相位分布，再由互易定理外推即可获取在当前相位中心条件下的天线远场方向图。

通过上述方法，分别在所述第一子沟槽311、所述第二子沟槽312以及所述第三子沟槽313(亦即x、y、z三方向)中理论相位中心附近内有规则地移动所述探针天线40的位置，采集所述探针天线40的幅度，经所述矢量网络分析仪80上传至所述控制器90后，通过比较获得最大辐射增益时的所述探针天线40的位置，也就为理想相位中心处。

请参见图3，图3为一个实施例中关于相位中心z向偏移距离与归一化方向性系数图，图3表明z方向变化很敏感，且在没有相位中心偏移时增益最大。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，包括：

弓形梁(10)；

发射装置(20)，设置于所述弓形梁(10)；

辐射腔体(30)，设置于所述弓形梁(10)的圆心位置，所述辐射腔体(30)内设置有沟槽(310)；

探针天线(40)，设置于所述沟槽(310)。

2.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述沟槽(310)包括沿第一方向延伸的第一子沟槽(311)、沿第二方向延伸的第二子沟槽(312)以及沿第三方向延伸的第三子沟槽(313)，所述第一子沟槽(311)、所述第二子沟槽(312)以及所述第三子沟槽(313)之间互相垂直且相交。

3.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述发射装置(20)包括：

旋转机构(210)，嵌套设置于所述弓形梁(10)，用以将所述旋转机构(210)在所述弓形梁(10)移动改变角度；

发射平台(220)，与所述旋转机构(210)靠近所述辐射腔体(30)的一端固定连接；

可调支撑架(230)，与所述发射平台(220)固定连接，且所述可调支撑架(230)与所述发射平台(220)包围形成一个容纳空间(231)；

馈源天线(240)，设置于所述发射平台(220)，且设置于所述容纳空间(231)内；

透镜准直器(250)，与所述可调支撑架(230)连接，用以调节所述透镜准直器(250)的位置。

4.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述辐射腔体(30)靠近所述发射装置(20)的表面间隔设置有多个金属片(320)。

5.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述太赫兹漏波天线测量系统(100)包括：

支撑架(50)，设置于所述弓形梁(10)底端，用以支撑所述弓形梁(10)。

6.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述太赫兹漏波天线测量系统(100)还包括：

吸波材料层(60)，设置于所述弓形梁(10)与所述辐射腔体(30)周围，用以减小所述太赫兹漏波天线测量系统(100)周围的噪声影响。

7.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述太赫兹漏波天线测量系统(100)还包括：

地面测试平台(70)，设置于所述弓形梁(10)的圆心位置处，用以放置所述辐射腔体(30)。

8.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述太赫兹漏波天线测量系统(100)还包括：

矢量网络分析仪(80)，所述矢量网络分析仪(80)的一端口与所述馈源天线(240)连接，所述矢量网络分析仪(80)的另一端口与所述探针天线(40)连接。

9.如权利要求1所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述太赫兹漏波天线测量系统(100)还包括：

控制器(90)，与所述矢量网络分析仪(80)连接。

10.如权利要求9所述的太赫兹漏波天线测量系统(100)，其特征在于，所述太赫兹漏波天线测量系统(100)还包括：

驱动装置(910)，所述驱动装置(910)的输出端与所述发射装置(20)连接，所述驱动装置(910)的输入端与所述控制器(90)连接，用以驱动所述发射装置(20)在所述弓形梁(10)上移动。