CN109617630A - 一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统，包括：所述待测极化器固定在第一旋转装置上，所述接收天线、接收端隔离器、检波器整体固定在第二旋转装置上；所述第一旋转装置由第一步进电机驱动，所述第二旋转装置由第二步进电机驱动；所述第一步进电机与第二步进电机由控制模块控制；所述模拟‑数字信号转换模块用于将检波器输出的电压信号转换成数字信号输入控制模块进行处理；所述控制模块根据预先设定的程序自动控制步进电机动作，并自动记录模拟‑数字信号转换模块输出的所有数字信号，从而完成对待测极化器的反射波的极化参数的自动测量。本发明具有设计简便，研制难度低，可维护性强，节省人力等优点。

Description

一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统
技术领域
本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统。
背景技术
极化器，或者说偏振器，是一种光学滤光器，可让特定偏振态的光通过，同时阻挡其他偏振态的光。它可以将未定义偏振态或混合偏振态的光束转换为明确定义的偏振光束，即偏振光。常见类型的极化器是线性极化器和圆形极化器。极化器在很多光学技术和仪器中均有应用。除了光之外，极化器还可以用于其他类型的电磁波，例如无线电波，微波和X射线等。
极化器的设计是依据衍射光栅的基本原理，在金属铜镜表面刻蚀具有周期结构的槽纹(矩形、梯形、正弦槽纹等)，利用入射到极化器表面光栅的波所分解的不同模式分别在槽纹顶部和底部反射所形成的相位差τ，使反射波合成为线极化波或椭圆极化波，建立起反射波极化参数与相位差τ及极化器旋转角度间的对应关系，最终实现旋转极化器便可得到所需要的反射波极化模式。
为了更方便地衡量极化器的极化效果，极化器反射波的极化参数被定义为旋转角α和椭圆率β。根据极化参数的定义，反射波极化模式可以借助旋转角α和椭圆率β来表示。由于旋转角α和椭圆率β随着极化器旋转角度的改变也会发生变化，因此只要测得极化器的旋转角α和椭圆率β随极化器旋转角度变化的曲线，便可通过计算得知反射波极化模式随极化器旋转角度变化的情况。从而建立起反射波极化参数与极化器旋转角度之间的直接函数关系。
测量极化器反射波信号的极化参数的实验通常在低功率场合下进行，对于应用于微波领域的极化器，其测量实验的基本原理为：通过旋转极化器，改变极化器的旋转角度Φ，同时利用检波器检测从极化器表面反射出的波源信号I的极大值Imax与极小值Imin以及与极大值Imax、极小值Imin相对应的检波器旋转角度χmax、χmin，根据以上测量数据即可计算得到极化参数的旋转角α及椭圆率β随极化器旋转角度Φ变化而变化的关系曲线。其中旋转角a对应于检波器检测到微波功率信号极大值Imax时检波器的旋转角度χmax，即α＝χmax；椭圆率β与检波器检测的微波功率信号极大值、极小值关系为
目前测量极化器反射波信号的极化参数的过程均由人力完成，对于待测极化器的每个旋转角度Φ，检波器均需要旋转一整周以获得波源信号I的两个极大值Imax与两个极小值Imin，由于波源信号具有一定的不稳定性，且与检波器配套的高精度万用表读数具有一定的波动性以及手动调节极化器和检波器旋转角度的精度有限等，一个待测极化器的测量过程通常需要3～4小时的连续不间断测量，费时费力，且会引入一定的人工测量带来的误差。
由此可见，现有的极化器反射波极化参数测量系统亟待被改进为一个更高效、智能、便利的测量系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统，由此解决现有极化器反射波极化参数测量系统存在的费时费力、精度受限等缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统，包括：微波源、发射天线、接收天线、检波器、控制模块、第一步进电机、第二步进电机、第一旋转装置、第二旋转装置；
所述微波源输出微波信号；
所述发射天线将微波源输出的微波信号从波导中辐射到自由空间中；发射天线辐射的微波信号入射到待测极化器，以使待测极化器将接收的微波信号的极化参数改变后反射到自由空间中；所述待测极化器反射的微波信号的极化参数随着待测极化器的旋转角变化而发生变化；
所述接收天线从自由空间中接收所述待测极化器反射的微波信号并传输到波导中；
所述检波器检测所述接收天线接收的微波信号，得到对应的检测信号，所述检测信号对应的电压的幅值随着所述检波器的旋转角发生变化；
所述待测极化器的背面固定在第一旋转装置上，其中心与第一旋转装置同轴，与第一旋转装置始终保持同步旋转，所述接收天线和检波器均同轴固定在第二旋转装置上，其中心均与第二旋转装置同轴，且与第二旋转装置始终保持同步旋转；所述第一步进电机，用于驱动第一旋转装置，进而改变待测极化器的旋转角；所述第二步进电机，用于驱动第二旋转装置，进而改变检波器的旋转角；
所述控制模块通过控制第一步进电机和第二步进电机动作，控制待测极化器的旋转角周期变化，并在待测极化器的每个旋转角下，控制检波器的旋转角周期变化；以及根据检波器得到的各个待测极化器旋转角和各个检波器旋转角下的检测信号，确定待测极化器在各个旋转角下反射的微波信号的极化参数。
具体地，控制模块可根据预先设定的程序控制第一步进电机和第二步进电机动作，实现控制待测极化器的旋转角周期变化，并在待测极化器的每个旋转角下，控制检波器的旋转角周期变化。
可选地，该系统还包括：倍频器；所述倍频器位于微波源和发射天线之间，用于将微波源输出的微波信号倍频后发射给所述发射天线。
可选地，该系统还包括：发射端隔离器；所述发射端隔离器位于倍频器和发射天线之间，用于防止从发射天线反射的微波信号与从倍频器入射的微波信号叠加形成驻波损坏倍频器。
可选地，所述倍频器、发射端隔离器以及发射天线处于第一轴线，所述第一轴线与垂直于水平面放置的待测极化器成45度夹角。
可选地，该系统还包括：接收端隔离器；所述接收端隔离器位于接收天线和接收端隔离器之间，用于防止从检波器反射的微波信号与从接收天线入射的微波信号叠加形成驻波损坏检波器。
可选地，所述接收天线、接收端隔离器以及检波器处于第二轴线，所述第二轴线与垂直于水平面放置的待测极化器成45度夹角。
可选地，所述第一轴线和第二轴线互相垂直且处于同一水平面，所述第一轴线和第二轴线相交于待测极化器的槽纹面的中心。
可选地，该系统还包括：模拟-数字信号转换模块；
所述模拟-数字信号转换模块位于检波器和控制模块之间，用于将检波器输出的电压信号转换为控制模块可读取的数字信号。
可选地，待测极化器的旋转角Φ1的范围为[0°,+180°]，检波器的旋转角Φ2的范围为[0°,+360°]。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明中控制模块根据预先设定的程序自动控制第一、第二步进电机动作，从而实现自动控制待测极化器旋转角度的改变以及检波器旋转角度的改变，并自动记录模拟-数字信号转换模块输出的所有数字信号，从而在省去人力旋转器件和记录数据的情况下完成对待测极化器的反射波极化参数的自动测量。解决了现有极化器反射波极化参数测量系统中费时费力、精度受限的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自动测量极化器反射波极化参数的系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的由检波器输出的电压幅值信号与检波器的旋转角Φ2的关系图；
图3为本发明实施例提供的极化器反射波的极化参数α、β与极化器旋转角Φ1的关系图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为标准微波源、2为六倍频器、3为发射端隔离器、4为发射天线、5为待测极化器、6为接收天线、7为接收端隔离器、8为检波器、9为模拟-数字信号转换模块、10为控制模块、11为第一步进电机、12为第二步进电机、13为第一旋转装置、14为第二旋转装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种在低功率场合下自动测量极化器反射波极化参数的系统整体结构示意图，包括：标准微波源1、六倍频器2、发射端隔离器3、发射天线4、待测极化器5、接收天线6、接收端隔离器7、检波器8、模拟-数字信号转换模块9、控制模块10、第一步进电机11、第二步进电机12、第一旋转装置13、第二旋转装置14。
标准微波源1输出特定频率和功率的微波信号，发射端隔离器防止反射的微波信号与入射微波信号叠加形成驻波损坏倍频器；发射天线、将特定频段微波信号从波导中辐射到自由空间中，待测极化器、通过旋转极化器可改变经极化器反射后的微波的极化参数，接收天线、从自由空间中接收特定频段微波信号并传输到波导中，接收端隔离器防止反射的微波信号与入射微波信号叠加形成驻波损坏检波器。
检波器将微波信号的功率转换成电压信号输出。
模拟-数字信号转换模块、将检波器输出的电压信号转换成可供控制模块处理的数字信号
控制模块，用于按照预先设定的程序控制第一步进电机和第二步进电机动作，同时接收和记录所有由模拟-数字信号转换模块发送的信号并据此计算出待测极化器反射波的极化参数；
进一步地，所述标准微波源输出功率在+10dBm以下。
进一步地，所述自动测量极化器反射波极化参数的系统适用的频率范围根据标准微波源的输出频率范围而定，并可以在标准微波源与发射端隔离器之间添加倍频器以扩展频率范围。
进一步地，待测极化器的旋转角Φ1的范围为[0°,+180°]，检波器的旋转角Φ2的范围为[0°,+360°]；
其中，发射端隔离器3、六倍频器2、发射天线4处于同一轴线A；接收天线6、接收端隔离器7、检波器8处于同一轴线B；轴线A与轴线B处于同一水平面，互相垂直且均与垂直于水平面放置的待测极化器5的表面成45度夹角，轴线A与轴线B相交于待测极化器5的槽纹面的中心；待测极化器5的背面固定在第一旋转装置13上，其中心与第一旋转装置13同轴，与第一旋转装置13始终保持同步旋转；接收天线6、接收端隔离器7、检波器8三者均同轴固定在第二旋转装置14上，其中心均与第二旋转装置14同轴，且与第二旋转装置14始终保持同步旋转；待测极化器5的初始位置与图1中矢量n标示的方向相同，即此时待测极化器5的旋转角Φ1＝0°，且Φ1的范围为[0°,+180°]。
在本参考实例中第二旋转装置14的初始位置不需要特意确定，因为在控制模块10处理Φ2的值时始终会把第一次出现极大值Imax时所对应的检波器8的旋转角χmax认定为初始位置0°，即此时Φ2＝0°，且Φ2的范围为[0°,+360°]。另外，本参考实例中在标准微波源1与发射端隔离器3之间插入一个六倍频器2，用于将标准微波源1输出的射频微波的频率范围扩展6倍，使其与待测极化器5的工作频率范围相适应。
在如图1所示的自动测量极化器反射波的极化参数的系统参考实例中，测试人员将待测极化器5在第一旋转装置13上固定好后，便可以通过控制模块10控制开始自动测量极化参数的流程。待测极化器5的旋转角Φ1从初始位置0°开始，以5°为步长逆时针旋转直至180°；对于每一个Φ1的值(包括Φ1＝0°)，在控制模块10控制第一步进电机11的动作结束后，第二步进电机12开始动作并带动第二旋转装置14从当前位置开始逆时针缓慢旋转360°，检波器8在旋转过程中将接收到的微波幅值信号转换为电压幅值信号。
具体地，如图2所示，检波器输出的电压幅值信号与输入检波器的微波幅值信号成正比。其中，检波器检测从极化器表面反射出的波源信号I经过检波器检测后，输出对应的电压信号。
同时模拟-数字信号转换模块9同步地将接收到的由检波器8发出的电压幅值信号转化为数字信号后发送至控制模块10进行记录和处理，并得出在此时Φ1的角度值处的极化参数旋转角α及椭圆率β。此外每一个Φ1的取值测量完毕后，为了避免检波器8与模拟-数字信号转换模块9之间的接线因旋转圈数过多而产生扭矩干扰旋转装置，由控制模块10控制第二步进电机12带动第二旋转装置14从当前位置顺时针旋转360°，从而使得第二旋转装置14回到初始位置。最终当Φ1的所有取值均测量完毕后，控制模块10自动绘制出待测极化器反射波的旋转角α及椭圆率β与极化器旋转角Φ1的关系图。
如图3所示，旋转角α及椭圆率β与极化器旋转角Φ1的关系的测试结果和理论结果对比图，可知，采用本发明提供的极化参数自动测量系统测量的极化参数与理论值吻合。根据图中实验测得的结果可知当极化器旋转至某一角度时，经极化器反射后的微波的极化参数即旋转角α及椭圆率β。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，包括：微波源、发射天线、接收天线、检波器、控制模块、第一步进电机、第二步进电机、第一旋转装置、第二旋转装置；
所述微波源输出微波信号；
所述发射天线将微波源输出的微波信号从波导中辐射到自由空间中；发射天线辐射的微波信号入射到待测极化器，以使待测极化器将接收的微波信号的极化参数改变后反射到自由空间中；所述待测极化器反射后的微波信号的极化参数随着待测极化器的旋转角变化而发生变化；
所述接收天线从自由空间中接收所述待测极化器反射的微波信号并传输到波导中；
所述检波器检测所述接收天线接收的微波信号，得到对应的检测信号，所述检测信号对应的电压的幅值随着所述检波器的旋转角发生变化；
所述待测极化器的背面固定在第一旋转装置上，其中心与第一旋转装置同轴，与第一旋转装置始终保持同步旋转，所述接收天线和检波器均同轴固定在第二旋转装置上，其中心均与第二旋转装置同轴，且与第二旋转装置始终保持同步旋转；所述第一步进电机，用于驱动第一旋转装置，进而改变待测极化器的旋转角；所述第二步进电机，用于驱动第二旋转装置，进而改变检波器的旋转角；
所述控制模块通过控制第一步进电机和第二步进电机动作，控制待测极化器的旋转角周期变化，并在待测极化器的每个旋转角下，控制检波器的旋转角周期变化；以及根据检波器得到的各个待测极化器旋转角和各个检波器旋转角下的检测信号，确定待测极化器各个旋转角下的反射波信号的极化参数。
2.根据权利要求1所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，还包括：倍频器；
所述倍频器位于微波源和发射天线之间，用于将微波源输出的微波信号倍频后发射给所述发射天线。
3.根据权利要求2所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，还包括：发射端隔离器；
所述发射端隔离器位于倍频器和发射天线之间，用于防止从发射天线反射的微波信号与从倍频器入射的微波信号叠加形成驻波损坏倍频器。
4.根据权利要求3所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，所述倍频器、发射端隔离器以及发射天线处于第一轴线，所述第一轴线与垂直于水平面放置的待测极化器成45度夹角。
5.根据权利要求1所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，还包括：接收端隔离器；
所述接收端隔离器位于接收天线和接收端隔离器之间，用于防止从检波器反射的微波信号与从接收天线入射的微波信号叠加形成驻波损坏检波器。
6.根据权利要求5所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，所述接收天线、接收端隔离器以及检波器处于第二轴线，所述第二轴线与垂直于水平面放置的待测极化器成45度夹角。
7.根据权利要求4或6所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，所述第一轴线和第二轴线互相垂直且处于同一水平面，所述第一轴线和第二轴线相交于待测极化器的槽纹面的中心。
8.根据权利要求1所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，还包括：模拟-数字信号转换模块；
所述模拟-数字信号转换模块位于检波器和控制模块之间，用于将检波器输出的电压信号转换为控制模块可读取的数字信号。
9.根据权利要求1所述的自动测量极化器反射波的极化参数的系统，其特征在于，待测极化器的旋转角Φ1的范围为[0°,+180°]，检波器的旋转角Φ2的范围为[0°,+360°]。
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