CN115774153A - 一种圆极化天线参数近场测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆极化天线参数近场测试系统及方法。基于现有的圆极化天线测试技术，无法满足使用的需要，因此本发明根据新型的电磁量子探测技术，利用电磁波与里德堡原子之间的耦合关系，以及里德堡态下原子能级波函数对于电磁波响应状态的关系，巧妙地设计激光路径、利用激光与碱金属原子的相互作用关系，利用与里德堡原子测量电磁波相位相关的外差的方法，创新性地解决了实时、原位地测量圆极化电磁波的水平极化和垂直极化特性，有效地并且同步地完成圆极化天线的测试，并且可以测出两个极化方向的相对相位差，进而可以判断天线圆极化的左旋特性和右旋特性，极大地解决了圆极化天线测试在判断左右旋极化特性上的问题。

Description

一种圆极化天线参数近场测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种圆极化天线参数近场测试系统及方法，从100MHz-1THz频段内的电磁波天线圆极化测试系统和新型的量子探测的技术领域，特别是涉及一种圆极化天线或者圆极化电磁波测试系统、圆极化参数测试、近场测试系统。

背景技术

在现代的通信技术中，圆极化天线因其在传输及接收过程中具有很大的优势被广泛地应用，圆极化天线对于方向性敏感性差，使得对接收天线的方向性要求变低，更易于实际的应用。

然而，圆极化天线的实时同步原位的测试很困难。目前常用的方法主要有旋转源法、极化图形法、正交分量法，主要是通过旋转待测圆极化天线或者旋转线极化的天线，分两次测量的方式测量水平极化和垂直极化的电场信息，从而完成对圆极化电磁波电场的测试。这样的方法无法一次性地完成，由于需要两次测量则带来测试时间长，测试繁杂的缺点；同时，这样的方法因为无法同时完成对水平极化和垂直极化两个方向的电场信息的测试，即两个方向的电场相对相位无法获得，因而无法直接获的未知圆极化电磁波的极化特性：左旋圆极化还是右旋圆极化；由于两个方向极化测量需要将待测天线旋转，待测天线位置会发生变动，即非原位测试，会带来因为旋转引起的位置误差；由于旋转增加的旋转机构，增加了测试系统的复杂性，增加了过多的成本。同时，测量时需要分别获得两种极化的量，但不是实时获得的，这样导致测量结果不确定增加。

如果采用标准圆极化测试天线测量，则对于测试的标准圆极化天线的制作要求很高，现有的圆极化天线的方向角都很小，要做到E面和H面内保持轴比特性较好的圆极化天线，难度非常大，同时这样的天线方向性误差很大，加工难度也很高，加工成本很大，导致天线测试系统的搭建成本增加。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种圆极化天线参数近场测试系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种圆极化天线参数近场测试系统，该测试系统的组成包括852nm激光器1、852nm二分之一波片2、PBS分光镜3、四个普通型852nm反射镜4、碱金属原子气室5、两个509nm反射镜(透过852nm)6、五个普通型509nm反射镜7、852nm反射镜8(透过509nm)、852nm光电探测器9、示波器10、数据处理软件11、509nm激光器12、509nm PBS分光镜13、509nm二分之一波片14；

四个普通型852nm反射镜4分别为第一反射镜4’、第二反射镜4”、第三反射镜4”’、第四反射镜4””；

两个509nm反射镜(透过852nm)6分别是第一反射镜6’和第二反射镜6”；

五个普通509nm反射镜7分别是第一反射镜7’、第二反射镜7”、第三反射镜7”’、第四反射镜7””和第五反射镜7””’；

两个852nm光电探测器9分别是第一探测器9’、第二探测器9”；

发明实现光路为：从852nm激光器1出来的激光经过852nm二分之一波片2进行调整激光的偏振方向，852nm二分之一波片2调整激光不同偏振方向上的光强，激光在经过PBS分光镜3，PBS分光镜3将激光分成两路不同偏振光光路1和偏振光路2，偏振光光路1依次经过普通型852nm第四反射镜4””、普通型852nm第一反射镜4’进行反射调整方向后进入碱金属气室5，经过碱金属气室5的偏振光光路1依次经过509nm反射镜(透过852nm)6”、第二反射镜4”、普通型852nm第三反射镜4”’调整光路方向后进入852nm第一探测器9’得到第一电信号，得到的第一电信号进入示波器10，再将电信号传入数据处理软件11进行信号处理；

从PBS分光镜3出来的偏振光路2经过852nm反射镜(透过509nm)8调整光路方向后进入碱金属气室5，通过碱金属气室5的偏振光路2通过509nm第一反射镜(透过852nm)6’调整方向后进入852nm第二探测器9”，得到第二电信号进入示波器10，再将得到的第二电信号传入数据处理软件11进行信号处理；

从509nm激光器12出射的激光经过509nm二分之一波片14进行调整光路偏振，509nm二分之一波片14调整激光不同偏振方向上的光强，经过光强调整后的激光经过PBS分光镜13，PBS分光镜13将激光分成两路不同偏振光光路3和偏振光路4，偏振光光路3依次经过普通型509nm第一反射镜7’、第二反射镜7”、第三反射镜7”’、第四反射镜7””和第五反射镜7””’后再经过第二509nm反射镜(透过852nm)6”进入碱金属气室5，在碱金属气室5中与偏振光路1共线相向传播；偏振光路1和偏振光路3相向传播时标记为传播光路1；

从PBS分光镜13出来的偏振光路4经过509nm第一反射镜(透过852nm)6’进入碱金属气室5，在碱金属气室5与偏振光路2中共线相向传播，偏振光路2和偏振光路4相向传播时标记为传播光路2；

使用上述得到的测试系统对圆极化天线参数进行近场测试，方法为：

第一步，通过852nm激光器1产生频率稳定且所需要频段的探测光；

第二步，通过509nm激光器12产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建圆极化辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有圆极化特性的电磁波和辅助圆极化天线产生的任意类型的圆极化电磁波；

第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，产生第一电信号和第二电信号；

第四步，将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在近场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区；

第五步，将待测圆极化天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测圆极化天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；

第六步，在第三步得到的第一电信号和第二电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱；

第七步，提取第六步得到的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱的电磁波的幅值和相位信息，传播光路1和传播光路2得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂，即通过传播光路1和传播光路2的幅值和相位信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化分量电场幅值和相位信息，进而分析该电磁波的极化特性；

第八步，将放置于二维扫描架的待测天线在近场扫描面内扫描，采样间隔小于待测电磁波波长的λ/2，采样大小为15λ×15λ，经过平面采样，再利用近远场变换算法得到所需要的圆极化天线远场方向图以及相应的轴比、辐射方向图，增益；

使用上述得到的测试系统对圆极化天线参数进行远场测试，方法为：

第一步，通过852nm激光器1产生频率稳定且所需要频段的探测光；

第二步，通过509nm激光器12产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建圆极化辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有圆极化特性的电磁波和辅助圆极化天线产生的任意类型的圆极化电磁波；

第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，产生第一电信号和第二电信号；

第四步，将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在远场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区；

第五步，将待测圆极化天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测圆极化天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；

第六步，在第三步得到的第一电信号和第二电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱；

第七步，提取第六步得到的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱的电磁波的幅值和相位信息，传播光路1和传播光路2得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂，当Δφ＝φ₁-φ₂>0为左旋；当Δφ＝φ₁-φ₂<0为右旋，轴比则计算E₁、E₂的比值，即通过传播光路1和传播光路2的相位信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化分量电场相位信息，进而分析该电磁波的左右旋特性；通过分析传播光路1和传播光路2的幅值信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化幅值信息，进而得到相应的轴比、辐射方向图，增益；

第八步，将放置于二维扫描架的待测天线在远场扫描面内扫描，得到所需要的圆极化天线远场方向图以及相应的轴比、辐射方向图，增益。

有益效果

(1)本发明的系统，基于现有的圆极化天线测试技术，无法满足使用的需要，因此本发明根据新型的电磁量子探测技术，利用电磁波与里德堡原子之间的耦合关系，以及里德堡态下原子能级波函数对于电磁波响应状态的关系，巧妙地设计激光路径、利用激光与碱金属原子的相互作用关系，利用与里德堡原子测量电磁波相位相关的外差的方法，创新性地解决了实时、原位地测量圆极化电磁波的水平极化和垂直极化特性，有效地并且同步地完成圆极化天线的测试，并且可以测出两个极化方向的相对相位差，进而可以判断天线圆极化的左旋特性和右旋特性，极大地解决了圆极化天线测试在判断左右旋极化特性上的问题。由于不需要旋转待测天线，减小了增加高精度转轴机制、消除了由于待测天线旋转带来的位置误差等问题，同时也解决了圆极化天线测试因为两次测量两种带来的测试时间过长的问题，该方法可以将测试时间减少一半。

(2)本发明提出的新型圆极化测试探头是基于原子测量的技术，没有很大的方向性，这样保证了可以测量的圆极化低轴比对应的方向角很大，方向性误差很小。基于上述优势，该方法为圆极化天线乃至圆极化电磁波的极化特性、轴比参数测试提出了新的方法与系统。

(3)由于该方法是基于原子量子测量的技术，使用的是非金属材料，较少了传统测试中使用金属探头带来的误差，例如：金属探头会引起待测天线待测场的破坏，影响测试的准确性；金属探头的方向性很明显，带来一定的方向性误差，需要后期进行修正，带来一定的工作量；金属探头主要的是根据电磁感应效应引起的电流进行测量的，测试原理上非电磁场的溯源测试，导致其测试精度具有很大的限制。

(4)本发明主要利用基于量子相干效应的方法，将微波外差法和量子探测技术结合起来应用到传统的近场天线测量领域，首次同步获得电磁波幅值和相位信息的情况下，同步实时地获得圆极化电磁波的信息如轴比、极化特性，并且因为电磁波的同步测量的原因，判断一个位置圆极化旋转特性的电磁波性质，弥补现存对于圆极化特性天线测量的不足。同时，该方法采用非金属结构，消除了金属材质探头带来的影响。同时，该方法可以测量从100MHz到1THz的电磁频谱范围，为太赫兹频段内天线近场测试提供解决方案。

附图说明

图1为本发明的测试系统组成示意图；

图2是里德堡原子的能级图；

图3是探头的具体光路部分示意图；

图4是测试两个两路光路的吸收测试曲线。

具体实施方式

为了使本申请的目的方案，技术方案即优点更加清楚明白，一下结合附图实例即实施实例，对申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明将新型的量子微波探测技术与传统的电磁测试技术相结合，有效解决了实时、原位、同步地有效地解决了圆极化天线测试问题，并且可以分辨出未知圆极化左右旋极化特性。下面将具体的实时方法说明如下。

如图2-图4所示，通过光纤装置及其光束分束镜，将产生的频率稳定探测光分成两束强度一样，但偏振方向不同的两束激光，分别射向碱金属气室中，将碱金属原子从基态激发到中间态。

通过光纤装置及其光束分束镜，将产生的频率稳定耦合光分成两束强度一样，但偏振方向不同的两束激光，分别射向碱金属气室中，将碱金属原子从中间态的铯原子激发到里德堡态。

具体的，将上述从光纤中输出的频率稳定的两束探测光和耦合光分别相向传输形成两路位置相近的激光光路，并且共线通过碱金属原子气室，同时利用偏振片进行调节，使共线的耦合光和探测光具有相同的线偏振方向，两路激光光路对应的激光偏振方向互相垂直。

利用微波辐射装置，分别辐射出频率相近的电磁波并向碱金属原子气室位置处辐射，并且进行叠加，产生的两束电磁波具有不同的电场强度，这两个电场进行叠加，产生新的拍频电场。

通过激光信号接收和处理装置，在碱金属原子气室一边接有相应的平衡光电探测器、示波器将经过碱金属原子气室探测光吸收下来并且转换为电信号进行处理并存储。

待测的电磁波频段范围从100MHz到1THz，通过利用具有不同形状的里德堡态波函数对电磁波极化敏感性不同，建立起利用里德堡原子实时同步地测量圆极化天线参数测量及近场测试系统。

不同频段的电磁波与不同的里德堡原子能级相对应，如图2所示；

该测试方法中所用的新型电磁探头与待测天线的波长无关，只与碱金属原子被激发到的能级位置有关，是一种原子探测技术。因此，在低频段，所用的探头可以做到远远小于待测波长以下的尺寸；在太赫兹频段，所用探头尺寸可以远大于待测波长，解决了太赫兹频段加工困难的问题。

该方法可以实现实时同步并且不需要旋转探头(即极化旋转)即可以完成不同方向的极化测试，只需要分别调节通过碱金属原子两路激光偏振方向，并且保证两路激光的偏振方向互相垂直，光强相同。

基于里德堡原子圆极化天线近场测试系统，所述方法包括：碱金属气室及其光纤系统、激光发生及锁频装置、微波辐射装置、信号收集装置，结构简单，操作方便。

通过探测光激光器装置，产生频率稳定的探测激光，并且利用光纤装置，将光直接耦合到碱金属气室中，将碱金属原子从基态激发到中间态。

通过耦合光激光器装置，产生频率稳定的探测激光，并且利用光纤装置，将光直接耦合到碱金属气室中，将碱金属原子从激发态激发到里德堡态。

搭建微波辐射装置，通过信号发生器、天线产生所需的待测电磁波和辅助电磁波。通过信号接收装置，在碱金属原子气室一边接有相应的光电探测器、示波器可以将碱金属原子对于探测激光的透射情况转换为电信号并且记录下来。利用微波辐射装置，分别辐射出频率相近的电磁波并向碱金属原子气室位置处辐射，并且进行叠加，产生的两束电磁波具有不同的电场强度，这两束电磁波产生低频的一个拍频信号。通过信号接收装置，使探测光通过碱金属原子气室后的强度能够被接收探测并且记录。将该种新型里德堡探头在近场面内进行扫描，并记录各个采样点的信息。将示波器得到的低频正弦信号进行拟合提取曲线的幅值和初相，得到所需的电磁波电场分量的强度和相位信息。

利用微波外差法，将两路分别具有两束相向共线且具有同向线偏振的激光分别射向碱金属气室的不同位置点，同时两路的激光偏振方向互相垂直。具体的，对于任意一路激光光路，探测光可以将碱金属原子从基态激发到激发态，耦合光将处于激发态的碱金属原子激发到里德堡态，再利用处于里德堡态的原子对外界待测电磁波和辅助电磁波(简称待测场和辅助场)的叠加场耦合作用完成对电磁波的测量，直接获取电磁波的幅值和相位信息的测试。进一步地，用不同激光的偏振方向分别激发处于里德堡态的碱金属原子时，碱金属原子与电磁波耦合强度与里德堡态的波函数形状相关。当波函数的形状呈现对称分布时，不同的激光偏振方向对电磁波的极化方向不敏感，当波函数的形状呈现非对称结构时，激光偏振方向对于电磁波的极化方向敏感。因此，利用波函数的形状的对称性不对称的特征，巧妙地调节激光的偏振特性以及光路设计完成对不同极化方向电磁波的测试。这样的测试方法，有效的解决了现有圆极化天线测试中不能同步完成不同极化方向的测试问题；解决了现有圆极化天线需要预先校准技术完成天线左右旋极化方向判断的问题；也很好的解决了圆极化天线实时、原位(不需要进行旋转，使待测天线位置发生改变)的测试问题；解决了圆极化天线测试因为需要分别两次测量两种极化方向的电场信息而带来的测试时间复杂度的问题，将测试时间至少减少一半；为圆极化天线乃至圆极化电磁波参数测量提出了新的方法与系统。该方法利用外差技术，根据外差结果的幅值A∝E∝T_probe,两个极化位置下测得的信号的幅值为A₁、A₂,相位φ₁、φ₂，则对应的两个极化相位φ＝φ₁-φ₂,轴比

这样的方法不需要额外辅助校准和额外的测试设备进行后期数值补偿。

微波外差法原理说明：

对于施加的待测电场E₁和辅助场E₂，它们在气室位置处的叠加场为E_total，叠加场和通过气室的探测激光的透射率关系如下，

其中待测电磁波的频率为ω_V＝2πf_V，辅助电磁波的频率ω_H＝2πf_H、待测电磁波和辅助电磁波的相位差为Δφ＝φ_V-φ_H，待测电磁波的电场E₁＝E_V cos(ω_Vt+f_V)，辅助电磁波的电场E₂＝E_H cos(ω_Ht+φ_H)。这样我们根据探测激光的透射率就可以测得待测电磁波的幅值和相位信息。

本发明主要利用基于量子相干效应微波外差法的方法，将量子探测技术应用到传统的近场天线测量领域，首次同步获得电磁波幅值和相位信息的情况下，同步实时地获得圆极化电磁波的信息，并且因为是根据同步测量的圆极化电磁波的不同极化特性，判断一个位置圆极化旋转特性的电磁波性质，这样就弥补现存对于圆极化特性天线测量的不足。同时该方法采用非金属结构，减少了现有天线测试中因为使用金属结构，造成待测电场分布被破坏的问题，减少了天线测试中的多重反射问题，减少了传统波导中方向性误差的问题。同时，该方法可以测量从100MHz到1THz的电磁频谱范围，为太赫兹频段内天线近场测试提供解决方案，同时该方法在测量圆极化的轴比特性上也很方便，不需要额外的辅助极化器进行参考和后期的数值比较计算。

步骤一：将探测光和耦合激光利用光纤透镜和保偏光纤将从激光器中输出的在空间中传输的激光耦合到光纤中，尽可能的减少激光的损耗和增加激光使用的灵活性。

步骤二：利用光学元件，将从光线中输出的激光一分两路，调节两路光路的偏振片，使这两路激光具有相互垂直的偏振方向，同时两路光的光强保持一直，两路激光通过铯原子气室的不同位置，但是两位置彼此接近。

步骤三：打开激光器的输出及锁频装置，将探测器波长稳定在852nm附近，将铯原子从基态6S_1/2激发到中间态6P_3/2，将耦合光波长稳定在509nm附近，将处在激发态6P_3/2的原子激发到60D_5/2。

步骤四：在铯原子气室一侧分别放置两个光电探测器并连接到示波器的不同通道，两个光电探测器分别用来接收两路光中的探测光，用来表征两路激光探测光被气室的吸收情况，并且将光信号转化为电信号。

步骤五：将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在近场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区。

步骤六：将待测天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用利用同轴线进行同步。

步骤七：在步骤四中得到的电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的电信号吸收光谱。

步骤八：通过提取步骤七中信号的曲线参数，得到对应的待测电磁波的幅值和相位信息，两路激光分别得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂。

步骤九：通过分析步骤八中的两路信号的相位信息，得到步骤五中待测圆极化天线水平和垂直极化分量相对相位关系，进而分析该电磁波的左右旋特性，当Δφ＝φ₁-φ₂>0为左旋；当Δφ＝φ₁-φ₂<0为右旋。利用步骤八中提取的幅值信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化幅值信息，进而得到相应的轴比、辐射方向图，增益等等。

步骤九：将放置于二维扫描架的待测天线在近场扫描面内扫描，采样间隔小于待测电磁波波长的λ/2,采样大小为15λ×15λ，经过平面采样，再利用近远场变换算法得到所需要的远场方向图。

实施例

如图1所示，一种圆极化天线参数近场测试系统，该测试系统的组成包括探测光激光器1、探测光二分之一波片2、探测光PBS分光镜3、四个探测光反射镜4、碱金属原子气室5、两个耦合光反射镜6、五个耦合光反射镜7、探测光反射镜8、两个探测光光电探测器9、耦合光激光器12、耦合光PBS分光镜13、耦合光二分之一波片14；探测光反射镜8能够透过耦合光；

四个探测光反射镜4分别为第一反射镜4’、第二反射镜4”、第三反射镜4”’、第四反射镜4””；

两个耦合光反射镜6分别是第一反射镜6’和第二反射镜6”；

五个耦合光反射镜7分别是第一反射镜7’、第二反射镜7”、第三反射镜7”’、第四反射镜7””和第五反射镜7””’；

两个探测光光电探测器9分别是第一探测器9’、第二探测器9”；

从探测光激光器1出来的激光经过探测光二分之一波片2进行调整激光的偏振方向，探测光二分之一波片2调整激光不同偏振方向上的光强，激光在经过探测光PBS分光镜3，探测光PBS分光镜3将激光分成两路不同偏振光光路1和偏振光路2，偏振光光路1依次经过第四反射镜4””、第一反射镜4’进行反射调整方向后进入碱金属气室5，经过碱金属气室5的偏振光光路1依次经过第二反射镜6”、第二反射镜4”、第三反射镜4”’调整光路方向后进入第一探测器9’得到第一电信号；

从探测光PBS分光镜3出来的偏振光路2经过探测光反射镜8调整光路方向后进入碱金属气室5，通过碱金属气室5的偏振光路2通过第一反射镜6’调整方向后进入第二探测器9”得到第二电信号；

从耦合光激光器12出射的激光经过耦合光二分之一波片14进行调整光路偏振，耦合光二分之一波片14调整激光不同偏振方向上的光强，经过光强调整后的激光经过耦合光PBS分光镜13，耦合光PBS分光镜13将激光分成两路不同偏振光光路3和偏振光路4，偏振光光路3依次经过第一反射镜7’、第二反射镜7”、第三反射镜7”’、第四反射镜7””和第五反射镜7””’后再经过第二反射镜6”进入碱金属气室5，在碱金属气室5中与偏振光路1共线相向传播；偏振光路1和偏振光路3相向传播时标记为传播光路1；

从耦合光PBS分光镜13出来的偏振光路4经过第一反射镜6’进入碱金属气室5，在碱金属气室5与偏振光路2中共线相向传播，偏振光路2和偏振光路4相向传播时标记为传播光路2。

2、根据权利要求1所述的一种圆极化天线参数近场测试系统，其特征在于：

所述的探测光激光器1的波长为852nm。

3、根据权利要求1所述的一种圆极化天线参数近场测试系统，其特征在于：

所述的耦合光激光器12的波长为509nm。

4、一种使用权利要求1-3任一所述的测试系统对圆极化天线参数进行近场测试的方法，其特征在于步骤包括

第一步，通过探测光激光器1产生频率稳定且所需要频段的探测光；

第二步，通过耦合光激光器12产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建圆极化辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有圆极化特性的电磁波和辅助圆极化天线产生的任意类型的圆极化电磁波；

第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，产生第一电信号和第二电信号；

第四步，将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在近场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区；

第五步，将待测圆极化天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测圆极化天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；

第六步，在第三步得到的第一电信号和第二电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱；

第七步，提取第六步得到的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱的电磁波的幅值和相位信息，传播光路1和传播光路2得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂，即通过传播光路1和传播光路2的幅值和相位信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化分量电场幅值和相位信息，进而分析该电磁波的极化特性；

第八步，将放置于二维扫描架的待测天线在近场扫描面内扫描，采样间隔小于待测电磁波波长的λ/2，采样大小为15λ×15λ，经过平面采样，再利用近远场变换算法得到所需要的圆极化天线远场方向图以及相应的轴比、辐射方向图，增益；

5、一种使用权利要求1-3任一所述的测试系统对圆极化天线参数进行近场测试的方法，其特征在于步骤包括：

第一步，通过852nm激光器1产生频率稳定且所需要频段的探测光；

第二步，通过509nm激光器12产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建圆极化辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有圆极化特性的电磁波和辅助圆极化天线产生的任意类型的圆极化电磁波；

第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，产生第一电信号和第二电信号；

第四步，将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在远场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区；

第五步，将待测圆极化天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测圆极化天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；

第六步，在第三步得到的第一电信号和第二电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱；

第七步，提取第六步得到的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱的电磁波的幅值和相位信息，传播光路1和传播光路2得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂，当Δφ＝φ₁-φ₂>0为左旋；当Δφ＝φ₁-φ₂<0为右旋，轴比则计算E₁、E₂的比值，即通过传播光路1和传播光路2的相位信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化分量电场相位信息，进而分析该电磁波的左右旋特性；通过分析传播光路1和传播光路2的幅值信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化幅值信息，进而得到相应的轴比、辐射方向图，增益；

第八步，将放置于二维扫描架的待测天线在远场扫描面内扫描，得到所需要的圆极化天线远场方向图以及相应的轴比、辐射方向图，增益。

Claims (5)

1.一种圆极化天线参数近场测试系统，其特征在于：

该测试系统的组成包括探测光激光器(1)、探测光二分之一波片(2)、探测光PBS分光镜(3)、四个探测光反射镜(4)、碱金属原子气室(5)、两个耦合光反射镜(6)、五个耦合光反射镜(7)、探测光反射镜(8)、两个探测光光电探测器(9)、耦合光激光器(12)、耦合光PBS分光镜(13)、耦合光二分之一波片14；探测光反射镜(8)能够透过耦合光；

四个探测光反射镜(4)分别为第一反射镜(4’)、第二反射镜(4”)、第三反射镜(4”’)、第四反射镜(4””)；

两个耦合光反射镜(6)分别是第一反射镜(6’)和第二反射镜(6”)；

五个耦合光反射镜(7)分别是第一反射镜(7’)、第二反射镜(7”)、第三反射镜(7”’)、第四反射镜(7””)和第五反射镜(7””’)；

两个探测光光电探测器(9)分别是第一探测器(9’)、第二探测器(9”)；

从探测光激光器(1)出来的激光经过探测光二分之一波片(2)进行调整激光的偏振方向，探测光二分之一波片(2)调整激光不同偏振方向上的光强，激光在经过探测光PBS分光镜(3)，探测光PBS分光镜(3)将激光分成两路不同偏振光光路1和偏振光路2，偏振光光路1依次经过第四反射镜(4””)、第一反射镜(4’)进行反射调整方向后进入碱金属气室(5)，经过碱金属气室(5)的偏振光光路1依次经过第二反射镜(6”)、第二反射镜(4”)、第三反射镜(4”’)调整光路方向后进入第一探测器(9’)得到第一电信号；

从探测光PBS分光镜(3)出来的偏振光路2经过探测光反射镜(8)调整光路方向后进入碱金属气室(5)，通过碱金属气室(5)的偏振光路2通过第一反射镜(6’)调整方向后进入第二探测器(9”)得到第二电信号；

从耦合光激光器(12)出射的激光经过耦合光二分之一波片14进行调整光路偏振，耦合光二分之一波片14调整激光不同偏振方向上的光强，经过光强调整后的激光经过耦合光PBS分光镜(13)，耦合光PBS分光镜(13)将激光分成两路不同偏振光光路3和偏振光路4，偏振光光路3依次经过第一反射镜(7’)、第二反射镜(7”)、第三反射镜(7”’)、第四反射镜(7””)和第五反射镜(7””’)后再经过第二反射镜(6”)进入碱金属气室(5)，在碱金属气室(5)中与偏振光路1共线相向传播；偏振光路1和偏振光路3相向传播时标记为传播光路1；

从耦合光PBS分光镜(13)出来的偏振光路4经过第一反射镜(6’)进入碱金属气室(5)，在碱金属气室(5)与偏振光路2中共线相向传播，偏振光路2和偏振光路4相向传播时标记为传播光路2。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化天线参数近场测试系统，其特征在于：

所述的探测光激光器(1)的波长为852nm。

3.根据权利要求1所述的一种圆极化天线参数近场测试系统，其特征在于：

所述的耦合光激光器(12)的波长为509nm。

4.一种使用权利要求1-3任一所述的测试系统对圆极化天线参数进行近场测试的方法，其特征在于步骤包括

第一步，通过探测光激光器(1)产生频率稳定且所需要频段的探测光；

第二步，通过耦合光激光器(12)产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建圆极化辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有圆极化特性的电磁波和辅助圆极化天线产生的任意类型的圆极化电磁波；

第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，产生第一电信号和第二电信号；

第四步，将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在近场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区；

第五步，将待测圆极化天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测圆极化天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；

第六步，在第三步得到的第一电信号和第二电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱；

第七步，提取第六步得到的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱的电磁波的幅值和相位信息，传播光路1和传播光路2得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂，即通过传播光路1和传播光路2的幅值和相位信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化分量电场幅值和相位信息，进而分析该电磁波的极化特性；

第八步，将放置于二维扫描架的待测天线在近场扫描面内扫描，采样间隔小于待测电磁波波长的λ/2，采样大小为15λ×15λ，经过平面采样，再利用近远场变换算法得到所需要的圆极化天线远场方向图以及相应的轴比、辐射方向图，增益。

5.一种使用权利要求1-3任一所述的测试系统对圆极化天线参数进行近场测试的方法，其特征在于步骤包括：

第一步，通过852nm激光器(1)产生频率稳定且所需要频段的探测光；

第二步，通过509nm激光器(12)产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建圆极化辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有圆极化特性的电磁波和辅助圆极化天线产生的任意类型的圆极化电磁波；

第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，产生第一电信号和第二电信号；

第四步，将待测圆极化天线放置在二维扫描架上，并且待测天线与气室垂直位置在远场范围内，同时也将辅助的圆极化天线也放置于待测天线近场区；

第五步，将待测圆极化天线和辅助圆极化天线分别连接到对应的信号发生器上，待测圆极化天线和辅助天线的辐射电磁波的频率差为1KHz，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；

第六步，在第三步得到的第一电信号和第二电信号输出到示波器中，同时利用外接的1KHz正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，这样得到稳定存在的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱；

第七步，提取第六步得到的第一电信号吸收光谱和第二电信号吸收光谱的电磁波的幅值和相位信息，传播光路1和传播光路2得到的垂直和水平电场幅值和相位分别为：E₁、E₂、φ₁、φ₂，当Δφ＝φ₁-φ₂>0为左旋；当Δφ＝φ₁-φ₂<0为右旋，轴比则计算E₁、E₂的比值，即通过传播光路1和传播光路2的相位信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化分量电场相位信息，进而分析该电磁波的左右旋特性；通过分析传播光路1和传播光路2的幅值信息，得到待测圆极化天线水平和垂直极化幅值信息，进而得到相应的轴比、辐射方向图，增益；

第八步，将放置于二维扫描架的待测天线在远场扫描面内扫描，得到所需要的圆极化天线远场方向图以及相应的轴比、辐射方向图，增益。

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