CN112630543A

CN112630543A - 多探头的弓形架测试系统及测试方法

Info

Publication number: CN112630543A
Application number: CN202011399498.5A
Authority: CN
Inventors: 陈海东; 张俊; 何招领; 修鑫; 刘嵘彬; 霍正祚; 车文荃; 薛泉
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-04-09

Abstract

本发明公开了一种多探头的弓形架测试系统及测试方法，其中系统包括：弓形支架；自动化样品台，设置在所述弓形支架的内部，且所述弓形支架的圆弧所在的平面与所述自动化样品台所在的平面互相垂直，所述圆弧的圆心与所述自动化样品台的中心重合；多个喇叭天线，固定安装在所述弓形支架的多个位置上，所述喇叭天线的口径指向圆弧的中心；矩阵开关；矢量网络分析仪；数据处理模块，用于控制所述矩阵开关和所述矢量网络分析仪的工作状态，以及对采集到的电磁波信号进行处理，获得待测样品的多种电磁参数。本发明通过在弓形支架的多个位置上安装喇叭天线，能够实现材料的反射率和介电常数等多电磁参数的测量，可广泛应用于微波测试领域。

Description

多探头的弓形架测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及微波测试领域，尤其涉及一种多探头的弓形架测试系统及测试方法。

背景技术

随着微波技术的快速发展，各种微波器件和材料广泛应用于通信和雷达系统。在科研人员进行微波电路或者其他微波器件的设计过程中，所使用的微波材料的介电常数(或复介电常数)是一个必须参考的重要参数。而随着科研系统对微波器件的表征准确度和结构精密程度的要求越来越高，人们对材料电磁参数的测试和表征技术的要求也越来越高。

此外，在常用介质材料的电磁参数测试中，多个电磁参数通常需要多种不同的测试系统来完成。虽然测试的材料相同，但是影响各个测试系统的误差因素是不同的，而且不得不对待测材料进行移动或其它操作，这些都可能增加测试的误差。因此使用非同一系统测试的不同参数对微波材料进行电磁表征就会出现偏差，从而影响对材料的电磁性能的整体评价。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种多探头的弓形架测试系统及测试方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种多探头的弓形架测试系统，包括：

弓形支架，设置在暗室内；

自动化样品台，设置在所述弓形支架的内部，且所述弓形支架的圆弧所在的平面与所述自动化样品台所在的平面互相垂直，所述圆弧的圆心与所述自动化样品台的中心重合；

多个喇叭天线，固定安装在所述弓形支架的多个位置上，所述喇叭天线的口径指向圆弧的中心；

矩阵开关，与所述喇叭天线连接，用于控制所述喇叭天线发射或者接收电磁波信号；

矢量网络分析仪，设置在所述暗室外，与所述矩阵开关连接，用于产生及分析电磁波信号；

数据处理模块，用于控制所述矩阵开关和所述矢量网络分析仪的工作状态，以及对采集到的电磁波信号进行处理，获得待测样品的多种电磁参数；

其中，所述多种电磁参数至少包括反射率和介电常数。

进一步，所述喇叭天线的数量为5个，5个所述喇叭天线中有两个所述喇叭天线对称安装在与水平面成30度的位置上，有两个所述喇叭天线对称安装在与水平面成60度的位置上，有一个所述喇叭天线安装在与水平面成90度的位置上。

进一步，对称安装的两个所述喇叭天线中，一个所述喇叭天线用于发射电磁波，另一个所述喇叭天线用于接收反射后的电磁波。

进一步，所述弓形支架由4条弓形结构的铝材通过焊接作为支撑主体，所述弓形支架的外部包裹一层吸波材料，用于吸收电磁波。

进一步，所述吸波材料在所述喇叭天线安装处的对应位置设有开孔，且所述开孔的形状和大小与喇叭天线的口径相同。

进一步，所述喇叭天线为双极化喇叭，所述双极化喇叭采用后馈的方式激励。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种测试方法，应用于上所述的一种多探头的弓形架测试系统，包括以下步骤：

将待测样品放至自动化样品台；

控制矢量网络分析仪产生电磁波信号，通过矩阵开关控制喇叭天线发射电磁波信号及接收由所述待测样品反射后的电磁波信号；

根据对采集到的电磁波信号进行处理，获得待测样品的多种电磁参数；

其中，所述多种电磁参数至少包括反射率和介电常数。

进一步，所述测试方法包括对喇叭天线进行校准的步骤，具体为：

将校准金属板至自动化样品台；

通过矩阵开关控制对称安装的两个所述喇叭天线，其中一个所述喇叭天线发射信号，另一个所述喇叭天线接收信号；

在空暗室的条件下，根据接收到的信号对所述喇叭天线做校准，以消除暗室背景的影响。

进一步，当测试反射率，所述控制矢量网络分析仪产生电磁波信号，包括：

采用扫频时域的方法，利用矢量网络分析仪产生频率步进的电磁波信号，以通过扫频获得待测样品的频率响应。

进一步，所述根据对采集到的电磁波信号进行处理，获得待测样品的多种电磁参数，包括：

通过改变喇叭天线的极化方向，获得不同的反射系数；

根据反射系数按照菲涅耳定理反演出待测样品的介电常数。

本发明的有益效果是：本发明通过在弓形支架的多个位置上安装喇叭天线，使用矩阵开关控制喇叭天线发射和接收电磁波，以及对所接收到的信号自动进行处理和分析，从而实现材料的反射率和介电常数等多电磁参数的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种多探头的弓形架测试系统的示意图；

图2是本发明实施例中一种多探头的弓形架测试系统的连线图；

图3是本发明实施例中喇叭天线发射与接收信号的示意图；

图4是本发明实施例中弓形支架未包裹吸波材料的内部结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种多探头多功能弓形架测试系统，如图1和2所示，该系统包括弓形支架1，固定在弓形支架内部的双极化喇叭天线2，喇叭天线分别固定在与水平面成30度、60度和90度的位置，其口径指向圆弧的中心。自动化样品台3固定在弓形支架的内部，并且样品台的中心与弓形支架的圆弧中心重合，从而保证测试要求，提高测量地精度。矩阵开关4作为中间级通过同轴线连接矢量网络分析仪和5个喇叭天线，并且控制喇叭天线辐射或者接收电磁波信号。计算机控制矩阵开关和矢量网络分析仪，读取测量的数据，并用数据处理软件进行处理和分析。其中，图1中SP4T代表矩阵开关，VNA代表矢量网络分析仪，PC代表计算机。自动化样品台3可围绕着样品台的法线做旋转运动。

进一步作为可选的实施方式，弓形支架外部采用一种吸波材料包裹，该材料具有良好的吸波特性，可以吸收空间中的干扰电磁波，同时避免弓形支架反射由喇叭天线发射的电磁波信号，对实验的准确性造成影响。在安装喇叭天线的位置，需要在吸波材料上制作5个与喇叭天线口径尺寸相同的小孔，用于安装喇叭天线，如图4所示。

进一步作为可选的实施方式，自动化样品台的尺寸标准采用国家军用标准(GJB2038A-2011)。

进一步作为可选的实施方式，喇叭天线采用同轴后馈式激励，可以发射水平和垂直极化电磁波。喇叭天线通过法兰和端盘固定在弓形支架内部。

进一步作为可选的实施方式，矩阵开关作为中间级连接矢量网络分析仪和双极化喇叭天线，并且控制喇叭天线发射或者接收电磁波。

本实施例通过在弓形支架的圆弧部分安装5个双极化喇叭天线，与水平面分别成30度、60度和90度，并在弓形支架外部包裹具有良好吸波特性的吸波材料，减少外部电磁波的干扰。同时，在弓形支架内部固定自动化样品台，通过使用矩阵开关控制喇叭天线发射和接收电磁波，并用数据处理软件对所接收到的信号进行处理和分析。从而实现能够测量吸波材料的反射率、介电常数等电磁参数的多探头多功能弓形架测试系统。

本实施例基于多探头多功能弓形架测试系统的电磁参数测试方法，可以实现对包括反射率、介电常数等电磁参数的测量；具体实施案例如下：

实施例1：测量材料的反射率

测试材料的反射率测试，如图3所示。

1)首先，在自动化样品台3上放置校准金属板，通过矩阵开关控制其中一对镜面对称的喇叭天线2，其中一个用于发射信号，另外一个用于接收信号；

2)测试空暗室的条件下，在软件上对微波暗室的背景做校准；

3)重复2)的操作，对其余的喇叭天线做校准；

4)在完成所有喇叭天线的校准之后，将校准金属板改换为待测样品，通过矩阵开关控制喇叭天线发射和接收信号，记录测试材料的散射值；

5)通过测试材料的测试值计算待测样品的反射率。

测试时，可以利用镜面对称的一对喇叭天线2，其中一个发射电磁波，另外一个接收经待测样品反射后的电磁波，从而得到测试的结果。这种方法测试的材料的反射率与喇叭天线的工作频率以及它所处的角度有关。本方法在测试过程中，由于弓形支架尺寸较大，可能存在接收喇叭天线所接收的信号非常弱的问题，甚至可能难以检测准确。进一步作为可选的实施方式，可以采用扫频时域的方法，利用矢量网络分析仪发射频率步进的信号，然后可以通过扫频得到待测材料的频率响应。接下来，可以进行必要的数据处理，具体的思路是通过“频域→时域→频域”的转换，加入时域门，将其他干扰信号滤除，最终得到待测介质材料的反射率。

实施例2：测量材料的介电常数

测试材料的介电常数，如图3所示。

本实施例采用自由空间法对待测样品的介电常数进行测量。自由空间法是一种非接触的电磁参数测试方法，该方法通过利用喇叭天线将电磁波辐射到自由空间，然后再利用另外一个镜像对称喇叭天线接收从待测样品反射的电磁波信号，按照菲涅耳定理反演出待测样品的介电常数。

在实际测量中，首先使用校准金属板对空载微波暗室进行校准，在软件中消除微波暗室背景的影响；完成校准工作之后，将待测样品放置在自动化样品台上，通过矩阵开关控制一对喇叭天线其中一个发射电磁波，另外一个接收经样品反射之后的电磁波信号，平面波反射遵从菲涅耳反射定律。本实验采用的是双极化喇叭天线，通过改变喇叭天线的极化方向，可以得到不同的反射系数；最终，通过测得的S参数和反射系数R，反演出待测样品的介电常数。

介电常数εr的计算表达式：

其中Ω_R为：

并且

上述表达式中，θ是喇叭天线与水平面的夹角，R_v和R_H分别是垂直极化波和水平极化波的反射系数，S_21v和S_21H分别为垂直极化波和水平极化波测量时的S参数。

因此，实验中只要测量出水平和垂直极化时的S参数，并且记录此时喇叭天线的角度，便可以通过上述关系反演出样品的介电常数。

基于上述测试系统的多探头测试方法，在样品台上放置标准金属板或测试材料，利用矩阵开关控制喇叭天线发射和接收电磁波信号，经过数据处理可得到材料的不同角度的测试参数；对待测材料进行测试的电磁参数包括反射率和介电常数，测试的频率范围是2GHz-18GHz。

综上所述，本实施例的测试系统相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)、本实施例使用多个双极化喇叭天线，可实现多角度测量。

(2)、本实施例的支架主体包裹吸波材料，可减少装置本身对测量结果的影响。

(3)、本实施例的弓形架测试系统可实现测量多个电磁参数的功能。

本实施例还提供了一种测试方法，应用于上的一种多探头的弓形架测试系统，包括以下步骤：

S1、将待测样品放至自动化样品台；

S2、控制矢量网络分析仪产生电磁波信号，通过矩阵开关控制喇叭天线发射电磁波信号及接收由待测样品反射后的电磁波信号；

S3、根据对采集到的电磁波信号进行处理，获得待测样品的多种电磁参数。其中，多种电磁参数至少包括反射率和介电常数。

在对待测样品进行测试之前，需对喇叭天线进行校准，基于校准过程中获得的干扰数据，在软件上进行处理，以使后期中消除环境中存有的干扰。

根据该测试方法，在样品台上放置标准金属板或测试材料，利用矩阵开关控制喇叭天线发射和接收电磁波信号，经过数据处理可得到材料的不同角度的测试参数；对待测材料进行测试的电磁参数包括反射率和介电常数，测试的频率范围是2GHz-18GHz。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，包括：

弓形支架，设置在暗室内；

自动化样品台，设置在所述弓形支架的内部，且所述弓形支架的圆弧所在的平面与所述自动化样品台所在的平面互相垂直，所述圆弧的圆心与所述自动化样品台的中心重合；多个喇叭天线，固定安装在所述弓形支架的多个位置上，所述喇叭天线的口径指向圆弧的中心；

其中，所述多种电磁参数至少包括反射率和介电常数。

2.根据权利要求1所述的一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，所述喇叭天线的数量为5个，5个所述喇叭天线中有两个所述喇叭天线对称安装在与水平面成30度的位置上，有两个所述喇叭天线对称安装在与水平面成60度的位置上，有一个所述喇叭天线安装在与水平面成90度的位置上。

3.根据权利要求2所述的一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，对称安装的两个所述喇叭天线中，一个所述喇叭天线用于发射电磁波，另一个所述喇叭天线用于接收反射后的电磁波。

4.根据权利要求1所述的一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，所述弓形支架由4条弓形结构的铝材通过焊接作为支撑主体，所述弓形支架的外部包裹一层吸波材料，用于吸收电磁波。

5.根据权利要求4所述的一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，所述吸波材料在所述喇叭天线安装处的对应位置设有开孔，且所述开孔的形状和大小与喇叭天线的口径相同。

6.根据权利要求1所述的一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，所述喇叭天线为双极化喇叭，所述双极化喇叭采用后馈的方式激励。

7.一种测试方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的一种多探头的弓形架测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

将待测样品放至自动化样品台；

其中，所述多种电磁参数至少包括反射率和介电常数。

8.根据权利要求7所述的一种测试方法，其特征在于，所述测试方法包括对喇叭天线进行校准的步骤，具体为：

将校准金属板至自动化样品台；

9.根据权利要求7所述的一种测试方法，其特征在于，当测试反射率，所述控制矢量网络分析仪产生电磁波信号，包括：

10.根据权利要求7所述的一种测试方法，其特征在于，当测试介电常数，所述根据对采集到的电磁波信号进行处理，获得待测样品的多种电磁参数，包括：

通过改变喇叭天线的极化方向，获得不同的反射系数；

根据反射系数按照菲涅耳定理反演出待测样品的介电常数。