CN112858794B - 一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统及其方法。本发明采用微波分光仪、一对角锥喇叭天线、波导同轴线转换器、同轴线、矢量网络分析仪、金属反射板、吸波材料和计算机，在自由空间中测量，不需要构建波导或平行板等的复杂电磁环境，具有便捷性；本发明的测量目标能够具有超薄特点，也能够不受厚度限制，由于厚度对应相位改变，实质上材料越厚相位测量越准，而如果材料厚度过于薄，稍微有扰动，相位就会变化很大，通过本发明中的测量目标表面处散射参数提取理论将厚度上的扰动消除；本发明的去噪声过程，去除了正入射测量时，单一喇叭天线同时作为接收端和发射端，喇叭天线的端口不可避免的自反射噪声，使得测量结果准确可信。

Description

一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及电磁散射测量技术，具体涉及一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统及其测量方法。

背景技术

人工电磁超表面(metasurface)作为一种可以在亚波长级别上操控电磁波的幅度和相位的工具，近年来获得了充足的发展。由于其具有超薄、低损耗、易加工等特点，超表面可以被应用到多个研究领域，如：梯度率材料、相位干涉聚焦与超聚焦、人工表面等离激元耦合器、多通道反射器等。人工电磁超表面包括透射型材料和反射型材料，透射型材料具有反射型散射参数S₁₁和透射性散射参数S₂₁，反射型材料只具有反射型散射参数S₁₁，对于反射型散射参数S₁₁包含两种情况下的散射参数，分别为正入射的反射型散射参数和斜入射的反射型散射参数。设计一种功能型的超表面关键在于获取其每个谐振单元的电磁属性(等效折射率n_eff、等效阻抗z_eff、等效介电常数ε_eff、等效磁导率μ_eff)，根据各个参数的实部和虚部随频率的变化，可以确定每个谐振单元对入射电磁波的幅度和相位的调控程度。而计算这些等效电磁参数的理论中，需要的基础已知量是散射参数，即反射型散射参数S₁₁和透射性散射参数S₂₁。针对透射型超表面，提取其等效电磁参数需要同时已知单个谐振单元的S₁₁和S₂₁。而对于反射型超表面，提取其等效电磁参数需要同时已知正、斜入射的反射型散射参数。反射型材料的等效阻抗和折射率计算公式如下：

其中，S_11,1表示正入射的反射型散射参数，S_11,2表示小角度的斜入射的反射型散射参数，l为反射型材料的周期数，l为整数，θ₁＝0对应正入射时的入射角，θ₂为斜入射时的入射角，测量目标的厚度为d₀，k₀为自由空间中的波失；反射型材料的运算变量y＝(r₁-S_11,1)/(1-r₁S_11,1)，局部反射系数r₁＝W±j(1-W²)^(1/2)，W为反射型材料的运算参量。由以上公式(1)至(3)可知，散射参数是反推材料电磁参数的重要已知量。因此，准确地测量材料在自由空间里的散射参数是一项有意义的工作。尤其是反射型材料，由于底部金属镀层的存在，其透射型散射参数S₂₁不能测量得到。因此，准确地将反射型散射参数S₁₁测量出来，对于表征其电磁特性就变的尤为重要。

然而，在实际测量中，仍然有许多需要解决的问题：(i)在自由空间中测量时，测量得到的是和超表面有一定距离的散射参数，而实际计算的时候需要测量目标表面处的散射参数，两种散射参数的相位几乎完全不同；(ii)在利用单一喇叭天线测量反射型散射参数S₁₁的时候，由于喇叭的自反射，反射型散射参数S₁₁的信号曲线被噪声掩盖；(iii)超表面的超薄特性会影响散射参数相位的准确测量；(iv)需要相应的理论将准确的测量目标表面处的散射参数从测量得到的结果中提取出来。

发明内容

针对自由空间中的超薄反射型的人工电磁超表面，本发明提出了一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统及其测量方法，能够将其表面处的反射型散射参数S₁₁准确测量和提取出来。

本发明的一个目的在于提出一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统。

本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统包括：微波分光仪、一对角锥喇叭天线、波导同轴线转换器、同轴线、矢量网络分析仪、金属反射板、吸波材料和计算机；其中，微波分光仪的一对转臂分别为不动臂和转动臂，一对角锥喇叭天线分别安装在不动臂和转动臂上；在每一个角锥喇叭天线的尾部连接波导同轴线转换器；波导同轴线转换器通过同轴线连接至矢量网络分析仪；矢量网络分析仪通过网线连接至计算机；测量目标贴在金属反射板的中间上，金属反射板的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料；金属反射板架设在微波分光仪的转盘上；

散射参数测量系统具有正入射测量模式和斜入射测量模式：

在正入射测量模式下，设置在不动臂上的角锥喇叭天线同时作为发射端和接收端，向自由空间发射电磁波，并接收回波，传输至矢量网络分析仪，得到噪声关于频率的曲线，暂存在矢量网络分析仪的缓存中；将测量目标贴在金属反射板的中间上，设置在不动臂上的角锥喇叭天线正对着测量目标；矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至在不动臂上的角锥喇叭天线；不动臂上的角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；电磁波经测量目标反射后，由不动臂上的角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；矢量网络分析仪得到测量喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，并减去暂存在矢量网络分析仪的缓存中的噪声关于频率的曲线，得到去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

在斜入射测量模式下，设置在不动臂上的角锥喇叭天线作为发射端，设置在转动臂上的角锥喇叭天线作为接收端，分别位于贴在金属反射板上的测量目标的对称两侧，接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线之间的夹角为二倍的斜入射时的入射角；矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至发射端角锥喇叭天线；发射端角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；电磁波经测量目标反射后，由接收端角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；矢量网络分析仪得到测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，根据测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线。

吸波材料采用单层平板型吸收体，以聚氨酯发泡海绵为基体，经过物理气相沉积PVD导电化处理和电沉积金属镍或铜。

斜入射的入射角度为10°～90°。

电磁波的频率为7GHz～11GHz。

金属反射板的水平尺寸为25×25cm²～50×50cm²，厚度为0.3～0.7cm。

本发明的另一个目的在于提出一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量方法。

本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量方法，包括正入射测量模式和斜入射测量模式：

A.正入射测量模式

1)设置在不动臂上的角锥喇叭天线同时作为发射端和接收端；

2)设置在不动臂上的角锥喇叭天线向自由空间发射电磁波，并接收回波，传输至矢量网络分析仪，得到噪声关于频率的曲线，暂存在矢量网络分析仪的缓存中；

3)将测量目标贴在金属反射板的中间上，并将金属反射板的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料，设置在不动臂上的角锥喇叭天线正对着测量目标；

4)矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至在不动臂上的角锥喇叭天线，不动臂上的角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；

5)电磁波经测量目标反射后，由不动臂上的角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；

6)矢量网络分析仪得到测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线；

7)通过转动微波分光仪的转盘，调节入射角度，使得测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线的幅度最大，此时的位置即为正入射位置，此时矢量网络分析仪中显示的测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线即为测量喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

8)减去暂存在矢量网络分析仪的缓存中的噪声关于频率的曲线，得到去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数S_11,1关于频率的曲线；

9)根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数S_11,1关于频率的曲线，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，S_11,nor为测量目标表面处的正入射的反射型散射参数，d₁为角锥喇叭天线至测量目标表面的距离，未知，k₀为自由空间中的波失，θ₁＝0对应正入射时的入射角；

10)将测量目标从金属反射板上撤下，吸波材料不动，重复步骤4)～7)，得到金属反射板的正入射的反射型散射参数Γ_p1关于频率的曲线；

11)测量目标的厚度为d₀，根据金属反射板的正入射的反射型散射参数Γ_p1，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，Γ_p1,nor为金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数，d₁为正入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离；考虑到金属反射板表面处的半波损失，金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数Γ_p1,nor满足下式：

12)联立公式(4)、(5)和(6)，将未知的正入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离d₁消去：

根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线和金属反射板的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用公式(7)得到测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

B.斜入射测量模式

1)设置在不动臂上的角锥喇叭天线作为发射端，设置在转动臂上的角锥喇叭天线作为接收端，分别位于贴在金属反射板上的测量目标的两侧，接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线之间的夹角为二倍的斜入射时的入射角；

2)将测量目标贴在金属反射板的中间上，并将金属反射板的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料；

3)矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至发射端角锥喇叭天线，发射端角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；

4)电磁波经测量目标反射后，接收端角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；

5)矢量网络分析仪得到测量喇叭处的散射参数关于频率的曲线；

6)通过转动微波分光仪的转盘，调节入射角度，使得测量喇叭处的散射参数关于频率的曲线的幅度最大，此时的位置即测量目标的法线位于接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线的角平分线上，即此时电磁波的入射角为设定的斜入射时的入射角，此时矢量网络分析仪上显示的就是测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数S_11,2关于频率的曲线；

7)根据测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，S_11,obli为表面处的斜入射的反射型散射参数，d₂为斜入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离，未知，k₀为自由空间中的波失，θ₂为斜入射时的入射角；

8)将测量目标从金属反射板上撤下，吸波材料不动，重复步骤4)～6)，得到金属反射板的斜入射的反射型散射参数Γ_p2关于频率的曲线；

9)测量目标的厚度为d₀，根据金属反射板的斜入射的反射型散射参数Γ_p2关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出金属反射板表面外d₀处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，Γ_p2,obli为金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数，d₂为斜入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离；金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数Γ_p2,obli满足下式：

10)联立公式(8)、(9)和(10)，将未知的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离d₂消去：

根据去噪后喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线和金属反射板的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用公式(11)得到测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线。

本发明的优点：

本发明在自由空间中测量，不需要构建波导或平行板等的复杂电磁环境，具有便捷性；本发明的测量目标可以具有超薄特点(超薄是从电尺寸角度考虑的一种亚波长属性，亚波长厚度的材料是指厚度小于一个波长，甚至小于0.1个波长的材料)，也可以不受厚度限制，由于厚度对应相位改变，实质上材料越厚相位测量越准，而如果材料厚度过于薄，稍微有扰动，相位就会变化很大，通过本发明中的测量目标表面处散射参数提取理论可将厚度上的扰动消除；去噪声过程使得测量结果准确可信，由于正入射测量时，单一喇叭天线同时作为接收端和发射端，因此在接收反射信号时，喇叭天线的端口自反射噪声不可避免，只有将端口自反射噪声去除，才能够得到准确的测量结果。

附图说明

图1为本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统的一个实施例的示意图，其中(a)为俯视图，(b)为已在金属反射板上固定好的测量目标；

图2为本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统的一个实施例的测量原理图；

图3为本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统的用于提取散射参数的传输线理论模型，其中，(a)为正入射，(b)为斜入射，V₁ ⁺表示发射端角锥喇叭天线处的入射波，V₁ ^-表示发射端角锥喇叭天线处的反射波，V₂ ⁺表示接收端角锥喇叭天线处的入射波，V₂ ^-表示接收端角锥喇叭天线处的入射波；

图4为反射型电磁超表面中的谐振单元的示意图，其中，(a)为用于测量的反射型超表面中的谐振单元的尺寸示意图，(b)为仿真中加载在谐振单元表面处周期性源端口的示意图；

图5为根据本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统的一个实施例中测量得到的散射参数的幅度和相位及其和仿真结果的对比图，其中，(a)为正入射及小角度斜入射(10°)的幅度曲线，|S₁₁|表示散射参数的幅度，(b)为正入射及小角度斜入射(10°)的相位曲线，∠S₁₁表示散射参数的相位；

图6为根据本发明的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统的一个实施例测量得到的大角度斜入射(45°)散射参数的幅度和相位以及其和仿真结果的对比图，其中，(a)为幅度曲线图，(b)为相位曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和2所示，本实施例的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统包括：微波分光仪1、金属反射板2、一对角锥喇叭天线3、波导同轴线转换器4、同轴线5、吸波材料6、测量目标7、矢量网络分析仪8、网线9和计算机10；其中，测量目标7贴在金属反射板2的中间上，金属反射板2的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料6；金属反射板2架设在微波分光仪1的转盘101上，并用固定位104固定好金属反射板；测量目标7为反射型电磁超表面；微波分光仪1的一对转臂分别为不动臂102和转动臂103，一对角锥喇叭天线3分别安装在不动臂和转动臂上；在每一个角锥喇叭天线3的尾部连接波导同轴线转换器4；波导同轴线转换器4通过同轴线5连接至矢量网络分析仪8；矢量网络分析仪8通过网线9连接至计算机10。

反射型材料，由于底部金属镀层701的存在，其透射型散射参数S₂₁不能测量得到。因此，准确地将反射型散射参数S₁₁测量出来，对于表征其电磁特性就变的尤为重要。本发明采用测量目标表面处散射参数提取理论将准确的测量目标表面处702的散射参数从测量得到的结果中提取出来。金属反射板2水平尺寸30×30cm²，厚度为0.5cm。吸波材料采用以聚氨酯发泡海绵为基体，经过物理气相沉积PVD导电化处理和电沉积金属镍或铜。

本实施例的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量方法，包括正入射测量模式和斜入射测量模式：

A.正入射测量模式

1)设置在不动臂上的角锥喇叭天线3同时作为发射端和接收端；

2)设置在不动臂上的角锥喇叭天线3向自由空间发射电磁波，并接收回波，传输至矢量网络分析仪8，得到噪声关于频率的曲线，同时包括幅值和相位，暂存在矢量网络分析仪8的缓存中；

3)将测量目标7贴在金属反射板2的中间上，并将金属反射板2的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料6，设置在不动臂上的角锥喇叭天线3正对着测量目标7；

4)矢量网络分析仪8提供设定频段的电磁波，通过同轴线5传输至在不动臂上的角锥喇叭天线3，不动臂上的角锥喇叭天线3将电磁波发射至测量目标7上；

5)电磁波经测量目标7反射后，由不动臂上的角锥喇叭天线3接收，并通过同轴线5传输至矢量网络分析仪8；

6)矢量网络分析仪8得到测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线，同时包括幅值和相位；

7)通过转动微波分光仪1的转盘，调节入射角度，使得测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线的幅度最大，此时的位置即为正入射位置，此时矢量网络分析仪8中显示的测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线即为测量喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，同时包括幅值和相位；

8)减去暂存在矢量网络分析仪8的缓存中的噪声关于频率的曲线，得到去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数S_11,1关于频率的曲线；

9)根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数S_11,1关于频率的曲线，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，S_11,nor为测量目标表面处的正入射的反射型散射参数，d₁为角锥喇叭天线3至测量目标表面的距离，未知，k₀为自由空间中的波失，θ₁＝0为正入射时的入射角；

10)将测量目标7从金属反射板2上撤下，吸波材料6不动，重复步骤4)～7)，得到金属反射板2的正入射的反射型散射参数Γ_p1关于频率的曲线；

11)测量目标7的厚度为d₀，根据金属反射板2的正入射的反射型散射参数Γ_p1，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，Γ_p1,nor为金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数，d₁为正入射的角锥喇叭天线3至测量目标表面的距离；考虑到金属反射板表面处的半波损失，金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数Γ_p1,nor满足下式：

12)联立公式(4)、(5)和(6)，将未知的正入射的角锥喇叭天线3至测量目标表面的距离d₁消去：

根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线和金属反射板2的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用公式(7)得到测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

B.斜入射测量模式

1)设置在不动臂上的角锥喇叭天线3作为发射端，设置在转动臂上的角锥喇叭天线3作为接收端，分别位于贴在金属反射板2上的测量目标7的两侧，接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线之间的夹角为二倍的斜入射时的入射角；

2)将测量目标7贴在金属反射板2的中间上，并将金属反射板2的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料6；

3)矢量网络分析仪8提供设定频段的电磁波，通过同轴线5传输至发射端角锥喇叭天线，发射端角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标7上；

4)电磁波经测量目标7反射后，接收端角锥喇叭天线接收，并通过同轴线5传输至矢量网络分析仪8；

5)矢量网络分析仪8得到测量喇叭处的散射参数关于频率的曲线；

6)通过转动微波分光仪1的转盘，调节入射角度，使得测量喇叭处的散射参数关于频率的曲线的幅度最大，此时的位置即测量目标7的法线位于接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线的角平分线上，即此时电磁波的入射角为设定的斜入射时的入射角，此时矢量网络分析仪8上显示的就是测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数S_11,2关于频率的曲线；

7)根据测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，S_11,obli为表面处的斜入射的反射型散射参数，d₂为斜入射的角锥喇叭天线3至测量目标表面的距离，未知，k₀为自由空间中的波失，θ₂为斜入射时的入射角；

8)将测量目标7从金属反射板2上撤下，吸波材料6不动，重复步骤4)～6)，得到金属反射板2的斜入射的反射型散射参数Γ_p2关于频率的曲线；

9)测量目标7的厚度为d₀，根据金属反射板2的斜入射的反射型散射参数Γ_p2关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出金属反射板表面外d₀处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，Γ_p2,obli为金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数，d₂为斜入射的角锥喇叭天线3至测量目标表面的距离；金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数Γ_p2,obli满足下式：

10)联立公式(8)、(9)和(10)，将未知的角锥喇叭天线3至测量目标表面的距离d₂消去：

根据去噪后喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线和金属反射板2的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用公式(11)得到测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线。

如图3所示，(a)和(b)分别是正入射和斜入射时测量目标7以及金属反射板2的传输线等效模型，图3中，11为反射型谐振单元，1101为完美电导体。根据传输线理论中的入射波和反射波的关系，针对正入射和斜入射两种情况，分别推导出公式(4)和(8)。当去掉谐振单元(实测中即是测量目标7)之后，同上分别得到公式(5)和(9)。这时将谐振单元的部分看作同样为厚度d₀的空气层，根据单端口网络理论，分别得公式(6)和(10)。最后，根据公式(7)和(11)，分别消去其中的d₁和d₂就能够提取出测量目标表面处的反射型散射参数，图3中z_eff为等效阻抗。

如图4所示，(a)图为构成测量目标7(周期性阵列)的其中一个谐振单元，它是一个经典的开口谐振环结构。金属片上的外环和内环的半径分别为1.7mm和2mm，槽宽和开口宽度均为0.3mm，金属铜片的厚度为0.035mm。介质基底1102为电路板材料，底面镀层为同样厚度(0.035mm)的金属铜片。以这样的谐振单元为一个周期，就可以构造出25×25的反射型超表面阵列作为本实施例中的测量目标。为了仿真验证测量结果，(b)图给出了电磁仿真软件中加载至谐振单元表面处的端口模型，边界条件设置为周期单元边界。真实测量过程中，构造周期数足够多，尺寸足够大的25×25的阵列就是为了尽可能地还原仿真中的周期单元边界条件。通过变换入射角度，可以得到基于时域有限差分法(Finite-Different Time-Domain,FDTD)的仿真结果曲线。将仿真得到的反射型散射参数的幅度和相位与测量结果进行对比，即可验证本发明中给出方法的正确性。图4中，单位为毫米(mm)，(a)为用于测量的反射型超表面中的谐振单元的尺寸示意图，谐振单元由电路板作为介质基底前后覆盖金属镀层构成，前部的金属镀层进行了开口槽处理，后部的金属镀层在仿真时可设置为完美电导体(Perfect Electric Conductor,PEC)，(b)为仿真中加载在谐振单元表面处周期性源端口12的示意图，H为磁场方向，E为电场方向，k为电磁波传播方向。

图5给出了正入射和小角度斜入射(10°)时根据测量数据提取出来的反射型散射参数的幅度和相位。其中，正入射时是用单一喇叭天线同时作为发射端和接收端测量的，小角度斜入射时是利用两个喇叭天线分别作为发射端和接收端测量的。根据(a)图和(b)图可知，正入射和小角度斜入射时提取出来的散射参数的幅度和相位均具备一定的吻合度，这证明了测量过程中消除单一喇叭天线的自反射噪声的必要性。同时，两种情况下的反射型散射参数的幅度和相位均和仿真得到的结果有较好的吻合度，这证明了本发明中提取理论的正确性。

图6给出了大角度斜入射(45°)时根据测量数据提取出来的反射型散射参数的幅度和相位。(a)图中还给出了直接测量得到的反射型散射参数的幅度曲线。可以看出，与仿真曲线相比，直接测量得到的反射型散射参数关于频率的曲线虽然在谐振区域附近和仿真曲线具有一定的吻合度，但是在非谐振区域失配度较大。而根据提取理论得到的反射型散射参数关于频率的曲线和仿真结果在全频段内都具有较好的吻合度。这进一步证明了本发明中给出的提取理论的必要性和正确性。同样的，根据测量数据提取得到的反射型散射参数的幅度和相位与仿真结果基本一致，进一步证明了本发明中给出的测量方法对大角度斜入射也是适用的。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统，其特征在于，所述散射参数测量系统包括：微波分光仪、一对角锥喇叭天线、波导同轴线转换器、同轴线、矢量网络分析仪、金属反射板、吸波材料和计算机；其中，微波分光仪的一对转臂分别为不动臂和转动臂，一对角锥喇叭天线分别安装在不动臂和转动臂上；在每一个角锥喇叭天线的尾部连接波导同轴线转换器；波导同轴线转换器通过同轴线连接至矢量网络分析仪；矢量网络分析仪通过网线连接至计算机；测量目标贴在金属反射板的中间上，金属反射板的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料；金属反射板架设在微波分光仪的转盘上；

散射参数测量系统具有正入射测量模式和斜入射测量模式：

在正入射测量模式下，设置在不动臂上的角锥喇叭天线同时作为发射端和接收端，向自由空间发射电磁波，并接收回波，传输至矢量网络分析仪，得到噪声关于频率的曲线，暂存在矢量网络分析仪的缓存中；将测量目标贴在金属反射板的中间上，设置在不动臂上的角锥喇叭天线正对着测量目标；矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至在不动臂上的角锥喇叭天线；不动臂上的角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；电磁波经测量目标反射后，由不动臂上的角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；矢量网络分析仪得到测量喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，并减去暂存在矢量网络分析仪的缓存中的噪声关于频率的曲线，得到去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

在斜入射测量模式下，设置在不动臂上的角锥喇叭天线作为发射端，设置在转动臂上的角锥喇叭天线作为接收端，分别位于贴在金属反射板上的测量目标的对称两侧，接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线之间的夹角为二倍的斜入射时的入射角；矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至发射端角锥喇叭天线；发射端角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；电磁波经测量目标反射后，由接收端角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；矢量网络分析仪得到测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，根据测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线。

2.如权利要求1所述的散射参数测量系统，其特征在于，所述吸波材料采用平板型吸收体。

3.如权利要求1所述的散射参数测量系统，其特征在于，所述斜入射的入射角度为10°～90°。

4.如权利要求1所述的散射参数测量系统，其特征在于，所述电磁波的频率为7GHz～11GHz。

5.如权利要求1所述的散射参数测量系统，其特征在于，所述金属反射板的水平尺寸为25×25cm²～50×50cm²，厚度为0.3～0.7cm。

6.一种如权利要求1所述的超薄反射型电磁超表面的散射参数测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括正入射测量模式和斜入射测量模式：

A.正入射测量模式

1)设置在不动臂上的角锥喇叭天线同时作为发射端和接收端；

2)设置在不动臂上的角锥喇叭天线向自由空间发射电磁波，并接收回波，传输至矢量网络分析仪，得到噪声关于频率的曲线，暂存在矢量网络分析仪的缓存中；

3)将测量目标贴在金属反射板的中间上，并将金属反射板的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料，设置在不动臂上的角锥喇叭天线正对着测量目标；

4)矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至在不动臂上的角锥喇叭天线，不动臂上的角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；

5)电磁波经测量目标反射后，由不动臂上的角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；

6)矢量网络分析仪得到测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线；

7)通过转动微波分光仪的转盘，调节入射角度，使得测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线的幅度最大，此时的位置即为正入射位置，此时矢量网络分析仪中显示的测量喇叭处的反射型散射参数关于频率的曲线即为测量喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

8)减去暂存在矢量网络分析仪的缓存中的噪声关于频率的曲线，得到去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数S_11,1关于频率的曲线；

9)根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数S_11,1关于频率的曲线，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，S_11,nor为测量目标表面处的正入射的反射型散射参数，d₁为正入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离，未知，k₀为自由空间中的波失，θ₁＝0为正入射时的入射角；

10)将测量目标从金属反射板上撤下，吸波材料不动，重复步骤4)～7)，得到金属反射板的正入射的反射型散射参数Γ_p1关于频率的曲线；

11)测量目标的厚度为d₀，根据金属反射板的正入射的反射型散射参数Γ_p1，利用正入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，Γ_p1,nor为金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数；考虑到金属反射板表面处的半波损失，金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数Γ_p1,nor满足下式：

12)联立公式(4)、(5)和(6)，将未知的正入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离d₁消去：

根据去噪后喇叭处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线和金属反射板的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用公式(7)得到测量目标表面处的正入射的反射型散射参数关于频率的曲线；

B.斜入射测量模式

1)设置在不动臂上的角锥喇叭天线作为发射端，设置在转动臂上的角锥喇叭天线作为接收端，分别位于贴在金属反射板上的测量目标的两侧，接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线之间的夹角为二倍的斜入射时的入射角；

2)将测量目标贴在金属反射板的中间上，并将金属反射板的表面暴露出来的边缘覆盖吸波材料；

3)矢量网络分析仪提供设定频段的电磁波，通过同轴线传输至发射端角锥喇叭天线，发射端角锥喇叭天线将电磁波发射至测量目标上；

4)电磁波经测量目标反射后，接收端角锥喇叭天线接收，并通过同轴线传输至矢量网络分析仪；

5)矢量网络分析仪得到测量喇叭处的散射参数关于频率的曲线；

6)通过转动微波分光仪的转盘，调节入射角度，使得测量喇叭处的散射参数关于频率的曲线的幅度最大，此时的位置即测量目标的法线位于接收端角锥喇叭天线与发射端角锥喇叭天线的角平分线上，即此时电磁波的入射角为设定的斜入射时的入射角，此时矢量网络分析仪上显示的就是测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数S_11,2关于频率的曲线；

7)根据测量喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，S_11,obli为表面处的斜入射的反射型散射参数，d₂为斜入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离，未知，k₀为自由空间中的波失，θ₂为斜入射时的入射角；

8)将测量目标从金属反射板上撤下，吸波材料不动，重复步骤4)～6)，得到金属反射板的斜入射的反射型散射参数Γ_p2关于频率的曲线；

9)测量目标的厚度为d₀，根据金属反射板的斜入射的反射型散射参数Γ_p2关于频率的曲线，利用斜入射的测量目标表面处散射参数提取理论，提取出金属反射板表面外d₀处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线：

其中，Γ_p2,obli为金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数；金属反射板表面外d₀处的正入射的反射型散射参数Γ_p2,obli满足下式：

10)联立公式(8)、(9)和(10)，将未知的斜入射的角锥喇叭天线至测量目标表面的距离d₂消去：

根据去噪后喇叭处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线和金属反射板的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线，利用公式(11)得到测量目标表面处的斜入射的反射型散射参数关于频率的曲线。

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