CN111913050B - 适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头及方法，属于电厚度测试技术领域，包括波导本体，波导本体的测试端面上设有两个由侧壁延伸成的相对波导本体轴线对称的突出部，每个凸出部包括用于与非平面天线罩接触的端点；本公开的特点是不追求接触角度的可重复性，而追求探头测试效果在一定范围内不依赖于接触角度，既方便测量，又能保证测量精度和可重复性。

Description

适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头及方法

技术领域

本公开涉及电厚度测试技术领域，特别涉及一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

电厚度是指电磁波辐射穿越非真空介质空间时，相对于同样几何尺寸的真空路径增加的波数，可等效为电磁波在介质中传播相对于真空增加的相位延迟，称为插入相位延迟(IPD)。IPD参数对于雷达天线罩的设计具有重要的意义，也是天线罩制造过程控制和成品检验的重要参数。IPD测量分为透射法和反射法，前者将测试收发天线分置在天线罩内外两侧，通过比对有无天线罩时的电磁波传输相位差测量；后者则是将收发天线都放在天线罩外侧，在天线罩内壁放置共形反射面，通过反射让电磁波两次穿过天线罩，比对反射信号的相位差可以以两倍的灵敏度获得IPD信息。

以测试天线是否接触天线罩区分，反射测试还可以分为接触式和非接触式两种。非接触式由于天线探头与天线罩的距离难以精确控制，在微波频段测量时难以保证精度；接触式一般采用收发双工天线探头，直接抵在天线罩上，不存在距离误差问题。

但是本公开发明人发现，对于大部分天线罩来说，其被测区域表面都不是平面，特别是外表面往往是凸面，而常用测试探头如微波波导口，抵在天线罩表面虽然可以保证没有纵向距离误差，却难以保证与天线罩表面法线夹角的重复性和稳定性，从而导致IPD测量的不确定性。

如图1所示，常用的矩形微波波导是内壁宽边为a、窄边为b的金属腔体管道，横截面如图中右上角的粗实线矩形，电磁波在波导腔体内沿L方向传输，场强和能量沿宽边分别按正弦和升余弦规律分布，如其中的虚线和实线所示，中间最大，靠近短边后衰减为零。电场矢量E方向平行短边，垂直于宽边。波导管的俯视图上部中间粗实线矩形所示，标记长度为L；侧视图如左上角粗实线矩形所示。

图中下方是非平面天线罩局部示意图，灰色是介质天线罩，黑色是天线罩内壁的共形反射面，如制造过程中的金属胎。IPD测量目标是是获得电磁信号垂直穿越天线罩造成的相位变化，该相位变化与天线罩厚度成比例，比例系数由天线罩材料决定。

理想测试条件下，电磁波从俯视图波导管上端口向下传输，到达下端口，然后垂直进入天线罩，到达内壁后反射，沿原路径返回波导上端口。在波导上端口利用矢量反射计可以测量获得电磁波整个传输路径的相位变化，扣除波导管内传输对应相位变化(可理论计算或事先校准获得)就可以得到电磁波穿越天线罩的相位变化，即IPD。该方法也可以用于比较不同天线罩的IPD。

但是由于波导口平面和非平面天线罩之间是非稳定接触，特别是凸表面点接触情况下，很难保证波导轴线与预期接触点表面法线的平行，微小的角度偏差就会导致测量数据的明显偏差，从而导致测量精度下降，不具备可重复性。比如波导口探头在曲率半径为R的天线罩凸表面上偏转角度θ，就会导致预期接触点O沿天线罩表面横向偏移距离l₁＝Rθ，挪移到O’，作为预期接触点的波导口面几何中心，则离开天线罩表面距离l₂＝R-Rcosθ+l₁sinθ＝R(1-cosθ+θsinθ)≈Rθ²。无论是l₁导致的有效接触点变化，还是l₂导致的电磁波传输路径变长，都导致了测量精度下降和可重复性恶化。

为了防止上述误差的发生，传统的方法要么是采用精密定位系统，如高精度多维度控制机器手，确保探头能够精确垂直贴合在天线罩表面；要么在探头上附加定位状态感知系统，在测量过程中不断检测探头与天线罩表面的相对角度，在试探过程中只记录相对角度测量参数一致时的IPD测量数据；要么将波导口周边的波导壁向内开槽，只保留三个突出的接触点，确保接触角度稳固。

但是，采用高精度多维度控制机器手实现探头精确垂直贴合在天线罩表面，最大的问题是设备复杂，代价高昂；采用实时姿态测量系统，最大的问题是该方法本身不能解决对正问题，只能引导和标记对正试探过程，降低了测量速度，而且辅助显示装置本身也比较复杂，影响了测试方便性；波导壁向内开槽方法简便易行，但是以三个触点保证相对姿态为目标，却破坏了测试探头电磁场有效分布，导致了电信号测量的不确定性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头及方法，不再寻求接触角度的可重复性，使得探头测试效果在一定范围内不依赖于接触角度，既方便测量，又能保证测量精度和可重复性。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头。

一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，包括波导本体，波导本体的测试端面上设有两个由侧壁延伸成的相对波导本体轴线对称的突出部，每个凸出部包括用于与非平面天线罩接触的端点。

作为可能的一些实现方式，所述凸出部为波导本体的侧壁向外延伸且沿垂直于轴线的方向收缩到一个端点形成。

作为可能的一些实现方式，所述端点为尖锐端点，且突出部朝波导本体轴线方向倾斜。

作为可能的一些实现方式，所述端点为尖锐端点，且突出部朝远离波导本体轴线的方向倾斜。

作为可能的一些实现方式，所述端点为尖锐端点，且突出部的朝向与波导本体的轴线平行。

作为可能的一些实现方式，所述端点采用圆弧等方式将尖锐端点局部倒角修平得到。

作为可能的一些实现方式，所述波导本体包括且不限于矩形波导、减高波导、脊波导、圆波导或椭圆波导中的一种。

作为可能的一些实现方式，所述波导本体为测试端面为矩形的矩形波导，测试端面的两条长边分别延伸出一个凸出部，且所述端点位于长边所在侧壁的中线延长线上。

作为可能的一些实现方式，所述凸出部的底边为测试端面的长边。

作为可能的一些实现方式，两个凸出部结构相同，且相对波导本体的轴线对称设置。

作为进一步的限定，测试端面的短边保持原配置，两个凸出部之间的空间的两侧对自由空间开放。

电磁波在矩形波导的腔体内沿波导轴线方向传播，场强沿测试端面的长边按正弦规律分布，能量沿测试端面的长边方向按升余弦规律分布，电场矢量方向平行于测试端面的短边且垂直于长边。

作为可能的一些实现方式，通过改变突出部的延伸长度和/或突出部的收窄渐变方式进行诱导效果的改变。

作为可能的一些实现方式，通过改变两个突出部的端点之间的距离进行诱导效果的改变。

本公开第二方面提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量装置，包括本公开第一方面所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头。

本公开第三方面提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量方法，利用本公开第一方面所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头；

将两个凸出部的端点与待测非平面天线罩接触；

突出部诱导波导中传输的能量向端点集中，形成以端点为相位中心的前向辐射；

所述前向辐射穿透天线罩，经过内壁反射后回到探头端点，按照原路径返回波导，通过反射系数的相位变化得到天线罩的电厚度参数。

作为可能的一些实现方式，所述测量探头可以以两端点的连线为轴线进行摆动，摆动范围在±10°以内不会造成明显的测量不确定性。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开提供的探头、装置及方法，通过波导本体的测试端面上设置两个由侧壁延伸成的相对波导本体轴线对称的突出部，诱导测试信号传输能量分布，形成以接触点轴心为相位中心的电磁波辐射，既保证了探头与被测天线罩接触点的可重复性，又使得IPD反射测试信号对探头摆动不敏感。

2、本公开提供的探头、装置及方法，通过波导壁的延伸和收窄，引导测试信号能量集中到尖部，并以尖部作为接触点并形成辐射相位中心，极大的提高了测试的稳定性。

3、本公开提供的探头、装置及方法，采用双接触点实现非平面天线罩接触式反射测量，经济简单，易于精确定位。测试结果对探头唯一的摆动自由度不敏感，在便于自然控制的摆动范围内保证了IPD测量精度和可重复性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开背景技术中提供的矩形波导探头测试的示意图。

图2为本公开实施例1提供的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头的测试示意图。

图3为本公开实施例1提供的测量误差与摆动角度的对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，包括波导本体，波导本体的测试端面上设有两个由侧壁延伸成的相对波导本体轴线对称设置的突出部，每个凸出部包括用于与非平面天线罩接触的端点。

所述凸出部为波导本体的侧壁向外延伸且沿垂直于轴线的方向收缩到一个端点形成。

本实施例中，所述端点为尖锐端点，且突出部上的尖锐端点朝向与波导本体的轴向平行。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述突出部上的尖锐端点朝波导本体轴线的方向倾斜，可以增强能量诱导汇聚效果；或者突出部上的尖锐端点的朝远离波导本体轴线的方向倾斜，可以增强对外辐射效果，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。

本实施例中以矩形波导为例进行介绍，当然可以理解的，在其他一些实施方式中，所述波导本体包括且不限于矩形波导、减高波导、脊波导、圆波导或椭圆波导中的一种。

本实施例中，如图2所示，以矩形波导探头为基础，在原平面波导测试端面的基础上，将宽边向前延伸H，两侧逐渐收缩，形成往前的渐变凸起。上下宽边对应延伸，凸起形成“鸟嘴”形状，如图中粗实线所示，比图1的现有技术的方案多出了延伸出来的尖锐部分。

与被测天线罩接触时只有两个突出接触点，非常易于测试点定位，不会发生探测点的不可重复性；探头与天线罩表面之间只有一个空间几何状态相对自由度，即围绕两个接触点的连线为轴旋转，而有限的旋转角不影响IP测量精度，从而保证了IPD测量的便捷性和可重复性。

所述矩形波导探头为测试端面为矩形的矩形波导，测试端面的两条长边分别延伸出一个凸出部，且所述端点位于长边所在侧壁的中线延长线上。

所述凸出部的底边为测试端面的长边，凸出部在长边所在侧壁的所在平面上的投影为等腰三角形，端点为等腰三角形状凸出部的顶点。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述突出部可以是任意弯曲或者曲折的形状，可以是其他三角形或者锥形结构，只要存在一个尖锐端点且两个突出部对称设置即可，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择以实现诱导汇聚效果的改变，这里不再赘述

本实施例中，两个凸出部结构相同，且正对设置，可以通过改变两个突出部的端点的相对距离，以形成不同的诱导效果，本领域技术人员可以根据具体工况进行相对距离的选择，这里不再赘述。

测试端面的短边保持原配置，即凸出部没有短边金属侧壁，两个凸出部之间的空间的两侧对自由空间开放。

本实施例中，电磁波在矩形波导的腔体内沿与测试端面垂直的方向传播，场强沿测试端面的长边按正弦规律分布，能量沿测试端面的长边方向按升余弦规律分布，电场矢量方向平行于测试端面的短边且垂直于长边。

矩形波导内的电场强度分布按正弦规律横向分布，能量以升余弦分布集中在宽边中间。本实施例提出的延伸突出结构，在测试端口处将能量进一步向中心集中，形成以尖端为相位中心的前向辐射。该辐射穿透天线罩，经过内壁反射后回到探头端点，按照原路径返回波导，通过反射系数相位变化体现天线罩的电厚度参数IPD。

由于测试信号能量集中到尖端，并且辐射相位中心也在尖端，所以测试探头围绕尖端摆动对波导内部以及天线罩内部的有效电磁波传播途径几乎没有影响，因而不会改变IPD测试反射信号的相位延迟量，因此达到了探头摆动不影响IPD测量精度和可重复性的效果。该探头设计结构简单、定位方便，特别适合于便携式应用。

为说明探头效果，图3中的a给出了某特定“鸟嘴”试验探头测量误差与摆动角度的对应关系，纵坐标为IPD测量相对误差，横坐标为摆动角度，单位均为度。可以看出，在摆动角度8度以内，IPD测量角度几乎是没有相对误差的。摆动角度大于10度以后，误差才急剧增加。而实际工程应用，如便携式测量过程中，5度以内的摆动是易于控制的。图3中的b进一步给出了摆动角9度以内的误差放大拟合曲线，可以看出，在摆动角8度以内，IPD测量误差不到0.2度，这对于一般的工程应用已经是极高的精度了。

本实施例中，可以通过改变突出部的延伸长度和/或突出部的收窄渐变方式进行诱导效果的改变。

本实施例中，可以通过改变两个对称的突出部的端点之间的距离进行诱导效果的改变。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量装置，包括本公开实施例1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量方法，利用本公开实施例1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头；

将两个凸出部的端点与待测非平面天线罩接触；

突出部诱导波导中传输的能量向端点集中，形成以端点为相位中心的前向辐射；

所述前向辐射穿透天线罩，经过内壁反射后回到探头端点，按照原路径返回波导，通过反射系数的相位变化得到天线罩的电厚度参数。

所述测量探头可以以两端点的连线为轴线进行摆动，摆动范围在±10°以内不会造成明显的测量不确定性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，其特征在于，包括波导本体，波导本体的测试端面上设有两个由侧壁延伸成的相对波导本体轴线对称的突出部，每个凸出部包括用于与非平面天线罩接触的端点；

所述凸出部为波导本体的侧壁向外延伸且沿垂直于轴线的方向收缩到一个端点形成；所述波导本体为测试端面为矩形的矩形波导，测试端面的两条长边分别延伸出一个凸出部，且所述端点位于长边所在侧壁的中线延长线上。

2.如权利要求1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，其特征在于，所述端点为尖锐端点，且突出部朝波导本体轴线方向倾斜；

所述端点为尖锐端点，且突出部朝远离波导本体轴线的方向倾斜；

所述端点为尖锐端点，且突出部的朝向与波导本体的轴线平行；

所述端点采用圆弧方式将尖锐端点局部倒角修平得到；

所述波导本体包括但不限于矩形波导、减高波导、脊波导、圆波导或椭圆波导中的一种；

或者，通过改变突出部的延伸长度和/或突出部的收窄渐变方式进行诱导效果的改变；

或者，通过改变两个突出部的端点之间的距离进行诱导效果的改变。

3.如权利要求1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，其特征在于，两个凸出部结构相同，且相对波导本体的轴线对称设置。

4.如权利要求1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，其特征在于，所述凸出部的底边为测试端面的长边。

5.如权利要求1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，其特征在于，测试端面的短边保持原配置，两个凸出部之间的空间的两侧对自由空间开放。

6.如权利要求1所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头，其特征在于，电磁波在矩形波导的腔体内沿波导轴线方向传播，场强沿测试端面的长边按正弦规律分布，能量沿测试端面的长边方向按升余弦规律分布，电场矢量方向平行于测试端面的短边且垂直于长边。

7.一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头。

8.一种适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量探头；

将两个凸出部的端点与待测非平面天线罩接触；

突出部诱导波导中传输的能量向端点集中，形成以端点为相位中心的前向辐射；

所述前向辐射穿透天线罩，经过内壁反射后回到探头端点，按照原路径返回波导，通过反射系数的相位变化得到天线罩的电厚度参数。

9.如权利要求8所述的适用于非平面天线罩的接触式电厚度反射测量方法，其特征在于，所述测量探头能够以两端点的连线为轴线进行摆动，摆动范围在±10°以内不会造成明显的测量不确定性。

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