CN116660635A - 一种基于新型天线的材料反射率测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于新型天线的材料反射率测试方法，属于天线技术领域，该方法包括：基于超宽带要求设计复合馈电结构；基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构；确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；基于设计的天线，对材料反射率进行测试。本发明通过采用多层介质嵌套的方式结构实现电磁波聚焦，以及采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化，并利用时域选通算法能够精准地实现设计的天线对吸波涂层反射率的定量检测。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于新型天线的材料反射率测试方法。
背景技术
战机在施工、贮存、运输、训练及作战过程中，吸波涂层会受外部环境或自身寿命等多种复杂因素影响而出现机械性损伤或吸收剂变质等失效行为，从而引起吸波涂层物理化学性能恶化。在各类失效行为中，吸收剂变质往往不易被察觉。有时目视隐身涂层状态良好或仅有轻微变色，但其内部吸收剂随着使用时间的增加或已发生氧化作用等化学反应，导致吸收剂的固有电磁参数发生变化，对应的反射率也随之变化，使得涂层性能达不到预期要求。因此，在装备服役过程中，需根据装备使用情况对已涂覆涂层进行反射率现场跟踪检测。对于生产或维修车间涂料检测情况，受测试场地的限制，难以采用现有的实验室测试系统；对于已涂覆于机体表面涂层检测情况，只能进行原位无损检测，也无法采用实验室制样测试系统。
反射率现场测试系统不能简单地通过将远场测试系统缩小来得到，远场测试由于待测材料距离天线较远，即使天线辐射场为球面波，远距离也会使得在垂直于传播方向上的某一平面区域内各点相位近似相等。而近场测试中由于材料和天线相距较近，球面波在相同尺寸平面区域内的相位差相比远场更大。解决该问题的方法是在保证小型化与宽频带的前提下，设计近场辐射波束更窄的天线，使得入射到待测材料上的能量集中在更小的区域内，通过减小相位变化较大区域内的辐射能量来减小相位变化对测试结果的影响。
近年来，随着近场测试技术的发展，出现了越来越多利用天线近场辐射波进行材料特性测试的技术。由于天线距离待测材料较近，使得测试空间大为减小。通过对天线进行特殊设计，能够使大部分近场辐射能量集中在一个相对较窄的空间波束内，该波束能够实现和远场辐射波相似的场分布特性，从而模拟远场平面波照射状态。这类天线能够减小反射率测试对材料形状及尺寸的要求，只需要较小的待测材料区域便能够截获近场辐射波束，使材料能对入射波束进行有效反射，通过对比接收信号和发射信号即可获得材料的反射特性。这类天线的代表主要有阵列聚焦天线、介质透镜天线、金属平板透镜天线、平面漏波天线、菲涅区平面天线及超材料透镜等。电磁透镜具有将非平面波前转换为平面波前的能力，在各种天线的增益增强设计中有着广泛的应用。传统的电磁透镜主要依靠其介质参数和形状的渐变来改变射径长度，从而实现波前变换所需的相位补偿这些聚焦元件提供了一种控制入射到材料试样上的能量的束宽和相位锥度的方法。特别地，在透镜或反射镜前形成一个焦点，并将试件放置在该焦点处，使相锥最小，场近似为平面波。聚焦法因其在介质材料和磁性材料表征方面的高精度而得到广泛应用。由于现场测试中待测材料一般处于天线的辐射近场区，因此天线需在离开口径较近的距离内形成平面波或近似平面波照射，常用设计方法为：（1）在天线口径或口径前方加装聚焦透镜；（2）在馈源前方安装椭球反射面；（3）采用人工电磁结构进行波束调控；（4）将天线进行组阵。其中，方法（1）和（2）能够在宽频带内获得较好的窄波束特性，但应用于低频设计时透镜或反射面体积较大，质量较重，低频下难以应用于现场便携式测试；方法（3）利用周期电磁结构进行聚焦，能够有效减小透镜尺寸和重量，但由于电磁结构的特性与频率相关性较大，一种结构尺寸仅能在窄带内实现聚焦；方法（4）能够在较宽频带内获得窄波束特性，且组阵有利于旁瓣降低，但由于阵元数量增加，导致馈电网络的设计更复杂，横向尺寸也更大。
虽然反射率测试技术研究已开展了几十年，但针对现场检测时，由于现场环境的复杂性以及对测试传感器小型化、便携性、宽频带的要求，还存在诸多问题亟待解决，目前的研究工作还无法满足现场检测的要求，且当前还未涉及利用多层透镜嵌套聚焦思想，开展高斯辐射点聚焦天线设计与反射率方法研究。
发明内容
针对现有技术无法满足反射率现场测试对天线的要求，本发明提供的一种基于新型天线的材料反射率测试方法，本发明通过采用多层介质嵌套的方式实现天线小型化及电磁波聚焦，以及采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于新型天线的材料反射率测试方法，包括以下步骤：
S1、基于超宽带要求设计复合馈电结构；
S2、基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构；
S3、确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；
S4、将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；
S5、基于S4所设计的天线，对材料反射率进行测试。
本发明的有益效果是：本发明利用透镜聚焦思想，开展多层嵌套圆介质波导点聚焦天线研制与反射率方法研究：所设计的天线在超宽带（10倍频程以上）范围内具有更小的尺寸、结构紧凑；辐射波束在频段具有窄波束、低驻波、高增益的特点；该形式天线更适合对材料反射率的现场测试；利用所设计的多层嵌套介质窄波束透镜天线实现电磁波聚焦及小型化，以及采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化，并利用时域选通算法能够精准地对吸波涂层反射率进行现场定量测量。
进一步地，所述S1中复合馈电结构为复合超宽带馈电结构，所述复合馈电结构采用多层指数渐变槽馈电设计，所述复合馈电结构包括阻抗变换部分和电磁波导行部分；
所述阻抗变换部分设置有馈电端口，其中，第一层为正向馈电端口，第二层为与第一层电流相位相差180度的负向馈电端口；
所述正向馈电端口采用同轴线馈入，所述正向馈电端口末端接入同轴线内导体，所述负向馈电端口末端接入同轴线外屏蔽层，所述正向馈电端口与负向馈电端口均分布于不同层的PCB板面上；所述多层透镜嵌套聚焦辐射结构与所述电磁波导行部分连接。
上述方案的有益效果是：本发明通过设计阻抗变换部分和馈电导行部分，并对馈电阻抗变换部分的金属线结构尺寸和引向导行部分的长度与宽度不断进行优化，最终实现天线在2～22GHz频带范围内正常工作，同时本发明通过采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化、低驻波比。
再进一步地，所述S2包括以下步骤：
S201、将工作频段划分为2GHz～9GHz、9GHz～15GHz和15GHz～22GHz三个导行传播频率范围，并利用不同频率范围中介质圆波导截止频率不同的原理，采用三层复合介质导行波导确定天线多层结构的层数；
S202、确定不同介质层的直径参数；
S203、利用介质圆波导导行电磁波的条件设置迭代值，并通过选用不同复合介质材料的特征参数，整体优化不同介质材料的直径参数与整体多层透镜组合的长度关系，以确定介质圆波导嵌套结构，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的设计。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过设计多层介质嵌套的方式结构，以实现电磁波的聚焦辐射。
再进一步地，所述直径的满足条件如下：
其中，表示介质波导内不同介质层的直径，表示自由空间中的波长，表示自由空间介电常数，表示介质圆波导中第i层介质材料的介电常数。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过设定不同介质层的直径，以实现导行电磁波过程抑制其它模式的干扰杂波。
再进一步地，所述确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，其具体为：
基于设计的多层透镜嵌套聚焦辐射结构，对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围的确定。
再进一步地，所述对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化的目标函数为：
其中，表示对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化的目标函数，表示参数优化目标函数，设定参数在4～20GHz的频率范围内均小于-20Db，表示相位中心目标函数，设定相位中心为天定点，即90度值，表示最大增益幅度范围，设定最大幅度范围为±50°，表示回波损耗，表示不同频率f的回波损耗，表示均值函数，表示标准差函数，表示e为底的指数，表示相位标准差，表示角度范围内最大方向图场值函数。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述目标函数能有效地实现在小型化紧凑结构下的超宽带聚焦波束的产生。
再进一步地，所述S5包括以下步骤：
S501、将金属板放置在天线焦点处，测量金属板的回波损耗数据，记为，其中，表示短路加载时实际测试的反射系数；
S502、将涂有吸波涂层的金属板放在天线焦距处，测量吸波涂层的回波损耗数据，记为，其中，表示吸波材料实际测试的反射系数；
S503、将天线对准自由空间测取一组数据，测量自由空间的回波损耗数据，记为，其中，表示匹配加载时实际测试的反射系数；
S504、将S501-S503测量回波损耗数据转换为复数形式，并利用下式对进行校准，得到校准后的频域信号：
S505、对校准后的频域信号进行加窗处理，得到加窗后的频域信号；
S506、将频域信号通过傅里叶变换转换为时域信号，并确定时域选通区间，构建时域门函数，并对时域门函数进行加窗处理，得到加窗后的时域门函数；
S507、构建一个单位频域信号，并将单位频域信号转换为时域信号，对时域信号进行时域选通处理，并将处理结果转换回频域信号以及进行归一化处理，得到用于补偿反射率曲线的频域函数，其中，表示时域选通后的信号；
S508、对时域信号进行时域选通处理，并将处理结果转换至频域得到，并利用频域函数对进行补偿，得到材料反射率，完成对材料反射率的测试，其中，表示时域选通后的时域反射信号，表示对校准后的频域信号。
再进一步地，所述S507中对时域信号进行时域选通处理，其具体为：
。
再进一步地，所述S508中对时域信号进行时域选通处理，其具体为：
；
所述S508中材料反射率的表达式如下：
其中，表示补偿后的材料反射率曲线。
上述进一步方案的有益效果是：本发明利用时域选通算法能够精准地实现设计的天线对吸波涂层反射率的定量检测。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本实施例中引入天线透镜结构后馈电导行部分的结构示意图。
图3为本实施例中介质圆波导嵌套的结构示意图。
图4为本实施例中天线透镜的结构示意图。
图5为本实施例中时域选通算法的处理流程示意图。
图6为本实施例中短路响应、开路响应及负载响应示意图。
图7为本实施例中校准后的X波段吸波涂层反射率示意图。
图8为本实施例中加窗后的时域信号示意图。
图9为本实施例中加窗后的时域门函数示意图。
图10为本实施例中补偿前涂层反射率示意图。
图11为本实施例中补偿后涂层反射率示意图。
图12为本实施例中测试所得吸波涂层反射率与标准反射率曲线示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种基于新型天线的材料反射率测试方法，其实现方法如下：
S1、基于超宽带要求设计复合馈电结构；
所述复合馈电结构为复合超宽带馈电结构，所述复合馈电结构采用多层指数渐变槽馈电设计，所述复合馈电结构包括阻抗变换部分和电磁波导行部分；
所述阻抗变换部分设置有馈电端口，其中，第一层为正向馈电端口，第二层为与第一层电流相位相差180度的负向馈电端口；
所述正向馈电端口采用同轴线馈入，所述正向馈电端口末端接入同轴线内导体，所述负向馈电端口末端接入同轴线外屏蔽层，所述正向馈电端口与负向馈电端口均分布于不同层的PCB板面上；所述多层透镜嵌套聚焦辐射结构与所述电磁波导行部分连接。
本实施例中，由图2所示，天线透镜结构（即天线中多层透镜嵌套聚焦辐射结构）与馈电结构连接，图2中，包括阻抗变换部分和电磁波导行部分。馈电结构采用一种变形的多层指数渐变槽馈电设计，第一层为正向馈电端口（即，0°正向馈电端口），如果采用同轴线馈入，末端接入同轴线内导体，第二层为与第一层电流相位相差180度的负向馈电端口（即，180°负向馈电端口），其末端接入同轴线外屏蔽层。整个馈电结构分为阻抗变换部分和馈电导行部分两部部分结构，按照指数对称天线的设计原理，馈电导行部分阻抗约为120欧，天线采用同轴线馈电，因此馈电端口为50欧，阻抗变换部分采用指数槽分布变换器结构完成由端口50欧到引向馈电导行部分120欧的阻抗变换。为保证天线整体的装配精度，降低加工成本，满足超宽带馈电要求，馈电结构采用罗杰斯RO5880 PCB板加工实现，覆铜厚度为0.035mm，其介电常数为2.2，正向馈电端口和负向馈电端口分布在不同层的PCB板面上，上下两层板厚均为1毫米。通过不断优化馈电阻抗变换部分的金属线结构尺寸和引向馈电导行部分的长度与宽度，最终实现天线在4～20GHz频带范围内正常工作。
S2、基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构，其实现方如下：
S201、将工作频段划分为2GHz～9GHz、9GHz～15GHz和15GHz～22GHz三个导行传播频率范围，并利用不同频率范围中介质圆波导截止频率不同的原理，采用三层复合介质导行波导确定天线多层结构的层数；
S202、确定不同介质层的直径参数；
S203、利用介质圆波导导行电磁波的条件设置迭代值，并通过选用不同复合介质材料的特征参数，整体优化不同介质材料的直径参数与整体多层透镜组合的长度关系，以确定介质圆波导嵌套结构，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的设计；
S3、确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；所述确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，其具体为：
基于设计的多层透镜嵌套聚焦辐射结构，对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围的确定。
本实施例中，根据电磁波在不同介质中的相速、波长与介质的折射率成反比，选用的介质作为透镜，使电磁波在介质透镜中的波长变短，从而校正口径面相位差，以实现天线准高斯光斑辐射场及结构的设计。
本实施例中，在天线设计的过程中为了使天线的辐射场在2～22GHz频带范围内具有较高的天线增益、相位中心漂移最少，形成近高斯波束的辐射特征，以多层复合嵌套的圆介质波导为设计思路，如图3所示，形成定向传播的导行电磁波，根据介质透镜的焦点汇聚原理形成准高斯光斑辐射场。按照圆介质波导传播理论，其内部特征传播电磁场为HE11模式的电磁波，如果介质圆波导直径为D，按照圆介质波导理论，D值必须满足：
上式中，表示自由空间中的波长，表示介质圆波导中的介质的介电常数，表示自由空间介电常数。
其具体为：
a)多层结构的层数确定：
为实现在2～22GHz频带范围导行电磁波的正常传输，避免在介质层内激励起的其它模式的电磁波模影响主模式HE11的正常传输，在设计实施过程中，将工作频段划分为2GHz～9GHz、9GHz～15GHz和15GHz～22GHz三个导行传播频率范围，利用不同频段范围的介质圆波导中截止频率不同的机理，采用三层复合介质导行波导；
b)不同层直径确定：
通过设定不同介质层的直径实现导行电磁波过程抑制其它模式的干扰杂波，其各层直径设定公式为：
其中，表示介质波导内不同介质层的直径，表示自由空间中的波长，表示自由空间介电常数，表示介质圆波导中第i层介质材料的介电常数。
c)嵌套结构确定：
上式中i表示第i层介质材料组成的介质圆波导，因此利用介质圆波导导行电磁波的条件初始设计迭代值，通过合理选用不同复合介质材料的特征参数，优化不同介质材料的直径参数以及整体透镜组合的长度关系，使天线满足最终的设计指标。
本实施例中，在图3中，、和均表示不同材质的介电常数参数，、和表示介质波导内不同材质的直径参数。
d)天线透镜结构尺寸优化设计：
根据上述说明构建天线透镜结构如图4所示，图4中包括三层介质层，第一介质层、第二介质层以及第三介质层。由图4所示，三层复合透镜可以分为头部和引导部两部分结构，假设引导部直径参数设为、和，头部高度参数设定为、和，各层介电常数设定为、和建立优化目标函数方程为：
其中，表示总体优化目标函数；表示参数优化目标参数，这里设定在4～20GHz的频率范围内均小于-20Db；表示相位中心目标函数，这里设定相位中心为天定点，即90度值；表示最大增益幅度范围，这里设定最大幅度范围为±50°。因此建立的判别函数为：
因此，优化目标函数为：
其中，表示均值函数，表示为标准差函数。
表示相位中心目标函数，设定为天顶点，即90度值处±20度范围内的相位。假设天顶点处，±20度范围内的相位标准差为，函数表达式为：
表示最大增益幅度范围，这里设定最大幅度范围为±50°,设定角度范围内最大方向图场值函数为：
其中，表示最大值运算，表示方向图计算角域值，表示计算获得的方向图电平值，表示目标设定的方向图电平值。函数设定为：
本实施例中，求解过程中，本发明采用CST有限元分析软件实现对天线结构的全部求解过程，全局优化本发明采用遗传算法实现，仿真计算本发明采用基于三维电磁求解的时域有限积分数值求解算法进行迭代解算，通过设置求解直到获得满足目标函数要求的参数值。
S4、将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；
S5、基于S4所设计的天线，对材料反射率进行测试，其实现方法如下：
S501、将金属板放置在天线焦点处，测量金属板的回波损耗数据，记为，其中，表示短路加载时实际测试的反射系数；
S502、将涂有吸波涂层的金属板放在天线焦距处，测量吸波涂层的回波损耗数据，记为，其中，表示吸波材料实际测试的反射系数；
S503、将天线对准自由空间测取一组数据，测量自由空间的回波损耗数据，记为，其中，表示匹配加载时实际测试的反射系数；
S504、将S501-S503测量回波损耗数据转换为复数形式，并利用下式对进行校准，得到校准后的频域信号：
S505、对校准后的频域信号进行加窗处理，得到加窗后的频域信号；
S506、将频域信号通过傅里叶变换转换为时域信号，并确定时域选通区间，构建时域门函数，并对时域门函数进行加窗处理，得到加窗后的时域门函数；
S507、构建一个单位频域信号，并将单位频域信号转换为时域信号，对时域信号进行时域选通处理，并将处理结果转换回频域信号以及进行归一化处理，得到用于补偿反射率曲线的频域函数，其中，表示时域选通后的信号；
对时域信号进行时域选通处理，其具体为：
；
S508、对时域信号进行时域选通处理，并将处理结果转换至频域得到，并利用频域函数对进行补偿，得到材料反射率，完成对材料反射率的测试，其中，表示时域选通后的时域反射信号，表示对校准后的频域信号；
对时域信号进行时域选通处理，其具体为：
；
材料反射率的表达式如下：
。
本实施例中，实验中使用的试件为30cm×30cm的金属板，其上粘贴吸波涂层（SF-TH-121），探头选择2-22GHz聚焦天线，搭建吸波涂层性能检测实验专用平台。该实验中所使用的吸波涂层型号为：SF-TH-121，是由橡胶材料与吸收剂混合制成，通过精密压延，硫化等工艺，使其具有与吸波频段相匹配的电性能。其主要参数如表1所示，表1为吸波涂层SF-TH-121主要参数表。
表1
实验中，由于需要对聚焦天线所测得反射数据进行校准，需要测试其短路及开路响应，分别将金属板放置于聚焦天线焦点处测取聚焦天线对金属板的回波损耗数据（记为）及对自由空间的回波损耗数据（记为），用于校准。将聚焦天线固定，使其辐射方向垂直于涂层，控制三维扫查台使涂层中心点位于聚焦天线焦点处，并测取此时吸波涂层的回波损耗数据并记为。实验以X波段为例，测试涂层的反射率。矢网参数设置如表2所示，表2为矢网参数设置表。
表2
测取所有参数后，对通过下式进行校准，校准后的反射率记为：
本实施例中，对于由于矢量网络分析仪收集的是频域信号，而在该频域信号中存在大量的天线自耦及多路径反射等效应产生的噪声。时域选通算法是通过将频域信号转换到时域信号，观察重要信息所在的时域区间，将该区间单独截取出来转换到频域，以观察其频域响应的算法。该算法能够有效去除测试中天线本身的自耦效应以及多路径反射效应等带来的噪声。
本实验通过傅里叶变换及其逆变换实现时频域转换，如下式所示：
其中，表示信号的频域响应，f(t)为信号的时域响应，表示傅里叶逆变换，表示傅里叶逆变换相位因子，表示积分项，表示傅里叶变换，表示傅里叶相位变换因子，表示微分项。
创建一个方形脉冲信号作为时域门函数，时域门函数的数学形式如下所示：
其中，a、b分别为选通区间的两个端点，t表示时间。
将转换到时域后的反射信号与时域门函数相乘，得到选通后的时域信号，但为了避免振铃效应，需要对时域门函数进行加窗处理，使其脉冲上升沿及下降沿更为平滑，窗函数选择β=6的凯瑟窗，其离散频域表达式如下式所示：
其中，表示凯瑟窗，表示第一类零阶贝塞尔函数，表示参数为的第一类零阶贝塞尔函数，表示长度为的信号中的第个，表示信号最大长度，表示参数为为零阶贝塞尔函数，有：
其中，m表示级数，x表示自变量，表示阶乘符号。
在时域选通前需要先确定感兴趣的时域信号区间，确定好区间后构造时域门函数，并对其进行加窗处理。同时需要注意，时域门与时域信号相乘的过程会导致其频域信号在其高频及低频部分幅值降低。这是由于在时域中的相乘等同于在频域中做卷积操作，而两频域信号的卷积为线卷积并非圆卷积，这导致其频域信号两端并未完全参与卷积，因此其幅值会产生下降。为消除这一影响，生成一频域单位信号，对其进行时域选通处理，并将处理后的该信号的频域曲线作为补偿基准，因其两端下降的幅值比例与测试信号一致，将实验中选通后的涂层信号与该补偿基准做商即可得到其真实的涂层反射率信息。单位频域信号的数学形式如下式所示：
时域选通算法的整个处理流程主要分为三个步骤：1）确定选通区间，建立窗函数；2）针对窗函数建立对应的补偿单位频域信号；3）对反射信号进行时域选通处理。如图5所示，图5中，表示校准后的频域信号，表示加凯瑟窗（即，加窗）（β=6）后的频域信号，表示傅里叶逆变换后的时域信号，表示时域选通区间，表示时域门函数，表示加凯瑟窗（即，加窗）β=6）后的时域门函数，表示单位频域信号，表示单位频域信号的时域信号，表示时域选通后的时域单位频域信号，表示最终用于补偿反射率曲线的频域函数，表示时域选通后的时域反射信号，表示时域选通后的反射率曲线，表示最终补偿后的材料反射率曲线。
本实施例中，如图5所示，对校准后的频域信号进行加窗处理，得到加窗后的频域信号；利用傅里叶逆变换将频域信号转换为时域信号，并确定时域选通区间，构建时域门函数，并对时域门函数进行加窗处理，得到加窗后的时域门函数；构建单位频域信号，利用傅里叶逆变换将单位频域信号转换为单位频域的时域信号，对时域信号进行时域选通处理，并利用傅里叶变换将处理结果转换回至频域信号以及进行归一化处理，得到用于补偿反射率曲线的频域函数；利用傅里叶逆变换将频域信号转换为时域信号，并对时域信号进行时域选通处理，并利用傅里叶变换将处理结果转换至频域得到，并利用频域函数对进行补偿（即将与作商），得到材料反射率，完成对材料反射率的测试。
本实施例中，首先将涂层金属板放置于聚焦天线焦点处，已知聚焦天线焦距为80mm，使聚焦天线的辐射方向垂直于涂层金属板，分别测取其短路、开路及负载状态下的响应并记为：、和。通过校准公式对进行校准，记校准后的反射信号为。由于矢网所测取数据为对数形式的回波损耗数据，首先要将所有反射信息其通过下式转换为复数形式。
其中，deg(Г)表示测量得到的所有回波损耗数据参数的相位信息，表示反射系数，i表示虚数。
实验测取得开路、短路及负载响应如图6所示，图6中纵坐标为/dB，其中，表示回波损耗数据，横坐标为频率/GHz。短路响应明显高于开路响应和负载响应，负载响应与开路响应幅值区别不大，这也反映了该吸波涂层对X波段微波的吸收能力较强。接着通过以上三个响应对负载响应进行校准，得到校准后的X波段涂层反射率如图7所示，图7中，纵坐标为反射率/dB，横坐标为频率/GHz。
本实施例中，为确定选通区间，对校准后的频域信号加窗并转换到时域，此处加窗的作用是为了使其时域信号更加平滑，便于确定选通范围，转换后，观察其选通范围，转换后，观察其选通范围，其时域信号如图8所示，图8中纵坐标为反射率/dB，横坐标为时间/S。
本实施例中，本发明感兴趣的区域为图8中曲线中心的主瓣部分，左边旁瓣主要由天线的自耦造成，右侧旁瓣包括自耦以及多路径反射等效应，通过观察图8可得主瓣区间即选通区间为。由此构造时域门函数，时域门函数的数学形式如下式所示：
其中，t表示时间，ns表示纳秒。
本实施例中，为防止频域发生截断效应，给时域门函数加凯瑟窗（β=6），加窗后的时域门函数，如图9所示，图中纵坐标为幅值/arb，横坐标为时间/GHz。将该时域门函数与时域信号相乘可实现时域选通，即得到涂层反射率，如图10所示，图中纵坐标为反射频率/dB，横坐标为频率/GHz。由图10可以看出，所测取的涂层反射率在高频和低频部分均有下降，这是由于加时域门函数时的时域相乘操作等同于频域卷积操作，而在线卷积的过程中，频域信息在高低频部分各有1/4部分未能实现完整卷积，为补偿这一部分反射率，创建一个用于补偿的函数。对一个单位频域响应进行上述加时域门函数操作，将所得的选通后反射率作为补偿基准，利用该基准除涂层反射率，则可以得到补偿后的涂层反射率，如图11所示，图中纵坐标为反射频率/dB，横坐标为频率/GHz。对比图10和11可以看到，本发明能有效实现了对吸波涂层反射率X波段高低频的补偿，对比其补偿前后的反射率曲线，可以看出，该补偿方法在高低频部分分别实现了最大约6.5dB和6dB左右的反射率补偿，有效还原了吸波涂层的反射率信息。
本实施例中，由图11可以看到，该涂层吸波性能最佳频率为10GHz，其反射率约为-21.5dB，在X波段高频及低频部分反射率有所增高，最高点分别为-13dB和-13.5dB，虽反射率有所增高但吸波性能仍然不差。将测试所得反射率曲线与标准反射率曲线作对比，如图12所示，图中，纵坐标为反射率/dB，横坐标为频率/GHz。测试所得吸波涂层的X波段反射率曲线与标准反射率曲线基本一致，整体保持低于标准反射率曲线，其曲线形式均类似抛物线。两曲线中吸波效果最佳频率点均为10GHz，其值均为-21.5dB左右。在高频低频部分，测试所得反射率与标准反射率之间误差逐渐增大，但均维持在2dB以内，最大差距约为1.65dB，误差均在可接受范围内。该实验结果验证了时域选通算法对吸波涂层反射率检测的有效性和准确性，该方法能够较为精准地实现对吸波涂层反射率的定量检测。
Claims (9)
1.一种基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于超宽带要求设计复合馈电结构；
S2、基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构；
S3、确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；
S4、将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；
S5、基于S4所设计的天线，对材料反射率进行测试。
2.根据权利要求1所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S1中复合馈电结构为复合超宽带馈电结构，所述复合馈电结构采用多层指数渐变槽馈电设计，所述复合馈电结构包括阻抗变换部分和电磁波导行部分；
所述阻抗变换部分设置有馈电端口，其中，第一层为正向馈电端口，第二层为与第一层电流相位相差180度的负向馈电端口；
所述正向馈电端口采用同轴线馈入，所述正向馈电端口末端接入同轴线内导体，所述负向馈电端口末端接入同轴线外屏蔽层，所述正向馈电端口与负向馈电端口均分布于不同层的PCB板面上；所述多层透镜嵌套聚焦辐射结构与所述电磁波导行部分连接。
3.根据权利要求1所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
S201、将工作频段划分为2GHz～9GHz、9GHz～15GHz和15GHz～22GHz三个导行传播频率范围，并利用不同频率范围中介质圆波导截止频率不同的原理，采用三层复合介质导行波导确定天线多层结构的层数；
S202、确定不同介质层的直径参数；
S203、利用介质圆波导导行电磁波的条件设置迭代值，并通过选用不同复合介质材料的特征参数，整体优化不同介质材料的直径参数与整体多层透镜组合的长度关系，以确定介质圆波导嵌套结构，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的设计。
4.根据权利要求3所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述直径的满足条件如下：
其中，表示介质波导内不同介质层的直径，表示自由空间中的波长，表示自由空间介电常数，表示介质圆波导中第i层介质材料的介电常数。
5.根据权利要求4所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，其具体为：
基于设计的多层透镜嵌套聚焦辐射结构，对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围的确定。
6.根据权利要求5所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化的目标函数为：
其中，表示对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化的目标函数，表示参数优化目标函数，设定参数在4～20GHz的频率范围内均小于-20Db，表示相位中心目标函数，设定相位中心为天定点，即90度值，表示最大增益幅度范围，设定最大幅度范围为±50°，表示回波损耗，表示不同频率f的回波损耗，表示均值函数，表示标准差函数，表示e为底的指数，表示相位标准差，表示角度范围内最大方向图场值函数。
7.根据权利要求1所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：
S501、将金属板放置在天线焦点处，测量金属板的回波损耗数据，记为，其中，表示短路加载时实际测试的反射系数；
S502、将涂有吸波涂层的金属板放在天线焦距处，测量吸波涂层的回波损耗数据，记为，其中，表示吸波材料实际测试的反射系数；
S503、将天线对准自由空间测取一组数据，测量自由空间的回波损耗数据，记为，其中，表示匹配加载时实际测试的反射系数；
S504、将S501-S503测量回波损耗数据转换为复数形式，并利用下式对进行校准，得到校准后的频域信号：
S505、对校准后的频域信号进行加窗处理，得到加窗后的频域信号；
S506、将频域信号通过傅里叶变换转换为时域信号，并确定时域选通区间，构建时域门函数，并对时域门函数进行加窗处理，得到加窗后的时域门函数；
S507、构建一个单位频域信号，并将单位频域信号转换为时域信号，对时域信号进行时域选通处理，并将处理结果转换回频域信号以及进行归一化处理，得到用于补偿反射率曲线的频域函数，其中，表示时域选通后的信号；
S508、对时域信号进行时域选通处理，并将处理结果转换至频域得到，并利用频域函数对进行补偿，得到材料反射率，完成对材料反射率的测试，其中，表示时域选通后的时域反射信号，表示对校准后的频域信号。
8.根据权利要求7所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S507中对时域信号进行时域选通处理，其具体为：
。
9.根据权利要求7所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S508中对时域信号进行时域选通处理，其具体为：
；
所述S508中材料反射率的表达式如下：
其中，表示补偿后的材料反射率曲线。
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