CN113484620B - 光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量方法及系统，利用激光照射下半导体片产生的等离子体斑在待测区域不同位置对未知电磁场的散射，实现对未知电磁场幅度和相位分布的测量，包括：激光光源、光源控制装置、半导体片、接收天线、接收装置和信号处理及控制装置。该方法巧妙利用光致等离子体斑的散射特性和光扫描技术，实现了准确、快速、灵活电磁场幅相特性测量手段。

Description

光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量方法及系统

技术领域

本发明是一种电磁波测量方法和系统，特别是光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量方法和系统。

背景技术

电磁场近场测量是在特定区域获得待测电磁场幅相分布的技术，是天线测量、电磁兼容分析等领域重要技术手段之一，对天线设计、电子电路系统分析与设计具有重要意义。目前常见的做法是利用金属开口波导作为接收探头天线，对待测区域未知电磁场直接进行扫描的方式实现，但存在金属探头天线对未知电磁场干扰大，机械扫描架结构扫描时间长、扫描定位精度受限等问题，常见的天线近场扫描时间基本都在几个小时的量级，在大面积扫描测量时，甚至需要几天时间。

针对金属探头对场干扰较大的问题，Cullen和Richmond等人提出了机械调制探头的测量方法([1]A.L Cllen，J.C.Parr.A new perturbation method for measuringmicrowave field in freespace.IEEE Proc，1955，102:836-844；[2]J.H.Richmond.Amodulated scattering technique for the measurement offielddistribution.Inst Radio Eng.Trans，1955，MTT-3:13-15)，在此基础上，Laurin等人提出了电调制或光调制探头的改进(Memarzadeh-Tehran,H.,J.Laurin和R.Kashyap.《Optically Modulated Probe for Precision Near-Field Measurements》.IEEETransactions on Instrumentation and Measurement 59,期10(2010年10月):2755–62.)，虽然降低了金属探头的等效尺寸，能够提高探头分辨率，但在进行电磁场分布测量时由于依然需要通过机械结构实现探头移动，故仍存在测量时间长、探头移动不稳定、系统造价高等问题。

对于测量时长问题，有研究进一步改进提出了采用多个探头的天线阵或探头阵列(A Multiprobe-Per-Collector Modulated Scatterer Technique for MicrowaveTomography》.IEEE Antennas andWireless Propagation Letters 10(2011年):1445–48.)的方式，但多个探头在空间上固有的物理排布，导致这种方法对应的测试场景较为单一，同时测量分辨率与精度也较为有限，同时多探头所引入的系统复杂度和成本也大幅提升，因此仅适合特殊需求场景下的测量，也未在实际工程领域得到广泛应用。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种可准确、快速、灵活测量未知电磁波幅度和相位分布的方法。

为达到本发明的目的，根据本发明的一个方面，揭示一种光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统，其中包含：

激光光源，用以产生激光光束；

光源控制装置，用以控制激光光束照射到半导体片上的设定位置，所述位置由信号处理及控制装置确定；

半导体片，固定于未知电磁场范围内的待测面，用以接收上述光束照射，并在光束照射位置形成等离子体斑，所述等离子体斑对其所在位置的未知电磁场造成散射，产生散射电磁信号；

接收天线，用以接收散射电磁信号；

接收装置，电气连接于接收天线，用于检测接收天线接收到的散射电磁信号；

信号处理及控制装置，电气连接于接收装置和光源控制装置，根据设定的测量参数，计算光束扫描路径及其上各测量位置，控制光源控制装置使光束依次照射各位置，读取并记录对应位置处接收装置检测到的散射信号，获得该区域待测电磁场的幅度和相位分布。

上述半导体材料固定于待测电磁场区域。

位置处的激光光束宽度和光功率不变，因此不同照射位置产生的散射等离子体斑也相同，其在不同位置对未知电磁场的散射信号的幅度和相位特性，也就可以表征该位置处未知电磁场的幅度和相位特性。利用照射光源的光扫描，实现散射等离子体斑在空间的位置扫描，代替物理探头的机械扫描，从而实现测量速度的大幅提升。

上述光源控制装置，接受信号处理及控制装置的控制，包括：电源控制模块、功率控制模块、光路控制模块，并借助上述部分或全部模块，实现激光光束可以灵活照射于半导体材料上的设定位置。优选的，通过旋转镜面和对应光路对激光光束光路的控制、或对激光阵列及其中单元的控制，或投影模块或装置，实现激光光束位置的调节。

根据本发明的另一个方面，提供一种光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量方法。其特征在于，包括以下步骤：

确定待测面，将半导体片固定于待测面，确定所述半导体片上的待测区域；

通过信号处理及控制装置，设定待测扫描区域及测量参数，计算光束扫描路径及其上各测量位置，控制光源控制装置使激光光源产生的光束照射于扫描路径上的当前位置；

所述半导体片在当前激光光束照射位置形成等离子体斑，所述等离子体斑对当前照射位置处的未知电磁场造成散射，产生散射电磁信号；

接收天线接收散射电磁信号并传输至接收装置；

接收装置检测接收天线接收到的散射电磁信号；

信号处理及控制装置记录当前照射位置接收装置检测到的散射电磁信号的幅值和相位，以此循环，控制光源控制装置使光束依次照射剩余位置，读取并记录对应位置处接收装置检测到的散射信号，获得该区域待测电磁场的幅度和相位分布。

本发明的优势：

相较于现有技术中使用机械逐点扫描的天线探头、调制探头或固定阵列探头等技术，本发明利用激光照射下半导体材料产生的等离子体在待测区域不同位置对未知电磁场的散射和进一步的探测，实现对未知电磁场幅度和相位分布的测量，巧妙利用灵活生成的散射等离子体区块取代了传统探头或阵列，用光扫描取代传统的机械扫描，即可以降低现有探头形式对未知电磁场的干扰、又无需借助传统机械扫描结构以大幅提高测量速度、同时相较固定阵列式测量方法又具有更大的灵活性和实用性的。通过采用本发明技术实例的测量实验表明，以10000个扫描点为例，相较于传统扫描测量方式至少数小时的测量时间，本发明测量时间在5分钟内，实现了准确、快速、灵活电磁场幅相特性测量手段。

附图说明

本发明所描述的本发明的实施例根据附图将变得更加清楚，附图中：

图1示出本发明第一实施例的电磁波幅度和相位分布快速测量系统。

具体实施方法

图1示出本发明第一实施例的光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统。如图1所示，该实施例的光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统包括：一激光光源10，用以产生激光光束12；一光源控制装置20，用以控制激光光束12照射到半导体材料30上的设定位置，所述位置由信号处理及控制装置60确定；一固定于待测电磁场区域的半导体材料30，用于接收激光光束12照射，并在光束照射位置形成等离子体斑32，所述等离子体斑32对未知电磁场80造成散射，产生散射电磁信号82；

接收天线40，用于接收散射电磁信号82；

接收装置50，电气连接于接收天线40，用于检测接收天线接收到的散射电磁信号84；

信号处理及控制装置60，电气连接于接收装置50和光源控制装置20，根据设定的测量参数，计算光束扫描路径16及其上各测量位置，控制光源控制装置20使光束12依次照射各位置，读取并记录对应位置处接收装置检测到的散射信号84，获得该区域待测电磁场的幅度和相位分布。

上述半导体材料固定于待测电磁场区域。优选的，如n型掺杂砷化镓半导体材料。优选的，采用片状结构的半导体材料。相较于突出结构的探头，片状结构半导体材料对未知电磁场平面相对分布特征的干扰可以忽略，从而保证了更为准确的测量。同时，通过制备柱形、球形等异形结构的片状半导体材料，还可以灵活方便的实现柱面、球面场分布的测量。

上述激光光源主要用来照射位于待测区域内的片状半导体材料，激光波长对应于半导体材料产生光电效应的条件，以便激发半导体载流子形成等离子体。当光源照射随着扫描位置的变化，产生的散射等离子体斑随之移动。由于半导体材料整体均匀，在不同位置处的激光光束宽度和光功率不变，因此不同照射位置产生的散射等离子体斑也相同，其在不同位置对未知电磁场的散射信号的幅度和相位特性，也就可以表征该位置处未知电磁场的幅度和相位特性。利用照射光源的光扫描，实现散射等离子体斑在空间的位置扫描，代替物理探头的机械扫描，从而实现测量速度的大幅提升。

上述光源控制装置，接受信号处理及控制装置的控制，包括：电源控制模块、功率控制模块、光路控制模块，并借助上述部分或全部模块，实现激光光束可以灵活照射于半导体材料上的设定位置。优选的，通过旋转镜面和对应光路对激光光束光路的控制、或对激光阵列及其中单元的控制，或投影模块或装置，实现激光光束位置的调节。

特别的，图1所示的测试系统对系统来波没有要求，因此所示电磁波可以为电子系统的电磁散射信号，从而将本系统应用于电磁兼容分析领域。

特别的，由于采用光扫描的形式，对未知电磁波、接收天线以及激光光源的相对位置并没有限制，只要能确保扫描激光能够不被遮挡的照射到测量区域，接收天线能够接收到散射电磁信号即可，其中电磁来波、接收天线、半导体片，光源光源控制装置的位置包括但不限于图中所示的位置。

特别的，当接收装置采用矢量网络分析等收发一体装置时，可利用所示天线40同时作为发射和接收天线，测量其出射电磁波幅相分布。

特别的，图1所示半导体片包括但不限于平面，当测量柱面、球面或其他表面电磁波的幅相特性分布时，可制备相应的形状或大小的半导体片，实现灵活、快捷的电磁场幅相分布特性测量。

特别的，光源控制装置和激光光源包括但不限于本实例中的位置，优选的，通过旋转镜面和对应光路对激光光束光路的控制、或对激光阵列及其中单元的控制，或投影模块或装置，实现激光光束位置的调节。

特别的，本实例选用的光源为激光光源，此外，也可以采用能够激发半导体材料光电效应的具有一定能量的可见光。

Claims (5)

1.一种光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统，其特征在于，包含：

激光光源，用以产生激光光束；

光源控制装置，用以控制激光光束照射到半导体片上的指定位置，所述位置由信号处理及控制装置确定；

半导体片，固定于未知电磁场的待测面，用以接收光束照射，并在光束照射位置形成等离子体斑，所述等离子体斑对其所在位置的未知电磁场造成散射，产生散射电磁信号；

接收天线，用以接收散射电磁信号；

接收装置，电气连接于接收天线，用于检测接收天线接收到的散射电磁信号；

信号处理及控制装置，电气连接于接收装置和光源控制装置，根据设定的测量范围参数，计算光束扫描路径及其上各测量位置，控制光源控制装置使光束依次照射各位置，读取并记录对应位置处接收装置检测到的散射信号，获得待测区域电磁场的幅度和相位分布，待测区域是指待测电磁场位于半导体片上的光束扫描区域。

2.如权利要求1所述的光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统，其特征在于，所述半导体片的材料为光电半导体材料，其形状为待测面所决定的平面或曲面，大小覆盖待测面。

3.如权利要求1所述的光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统，其特征在于，所述的激光光源包括单路激光或由多路激光组成的阵列，激光波长对应于半导体材料产生光电效应的条件，以便激发半导体载流子形成等离子体。

4.如权利要求1所述的光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量系统，其特征在于，所述的光源控制装置，电气连接于信号处理及控制装置，内部包括：电源控制模块、功率控制模块、光路控制模块的一种或两种或多种，电源控制模块、功率控制模块、光路控制模块的一种或两种或多种独立或并行电气连接于外部信号处理及控制装置，接收信号处理及控制装置的命令，通过全部或部分控制激光光源的电源、功率、激光光束路径，控制激光光束照射到半导体片上的指定位置。

5.一种光扫描电磁波幅度和相位分布快速测量方法，其特征在于，采用了权利要求1-4之一所述的测量系统实现电磁波幅度和相位分布测量，包括以下步骤：

确定待测面，将半导体片固定于待测面，确定所述半导体片上的待测区域；

通过信号处理及控制装置，设定待测扫描区域及测量参数，计算光束扫描路径及其上各测量位置，控制光源控制装置使激光光源产生的光束照射于扫描路径上的当前位置；

所述半导体片在当前激光光束照射位置形成等离子体斑，所述等离子体斑对当前照射位置处的未知电磁场造成散射，产生散射电磁信号；

接收天线接收散射电磁信号并传输至接收装置；

接收装置检测接收天线接收到的散射电磁信号；

信号处理及控制装置记录当前照射位置接收装置检测到的散射电磁信号的幅值和相位，以此循环，控制光源控制装置使光束依次照射剩余位置，读取并记录对应位置处接收装置检测到的散射信号，推演获得待测区域电磁场的幅度和相位分布，待测区域是指待测电磁场位于半导体片上的光束扫描区域。

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