CN116859133A - 一种超表面测试装置及pb相位测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超表面测试装置及PB相位测试方法，测试装置包括：第一同轴波导转换器、第二同轴波导转换器、正交模耦合器、极化器、反射波导、矢量网络分析仪(VNA)，两个同轴波导转换器的同轴端与矢量网络分析仪连接，波导端与正交模耦合器连接；正交模耦合器、极化器、反射波导依次相连；反射波导具有用于反射入射圆极化波的反射面；超表面测试装置装载被测结构时，测得反射信号S11。本发明通过采用测试装置可对极化转换反射波束幅值和相位的收集，实现PB(Pancharatnam‑Berry)相位测试。该测试装置的PB相位测试方法可较为快速且准确的得到被测结构的PB相位。
Description
技术领域
本发明提出一种超表面测试装置及PB相位测试方法，涉及超表面单元结构性能测试领域，特别涉及超表面单元结构PB相位测试装置和方法。
背景技术
超表面通过特定的单元结构和新奇的物理特性，可在亚波长的尺度上实现对电磁波的约束与调控。同时依靠自身的低损耗、低剖面、易于设计与制作等优点，受到科学界以及工业界的广泛关注。随着超表面的不断发展，单元结构的设计从简单到复杂，所能呈现的功能从单一到多样，这便决定了这些超表面的性能指标要求和评价标准具有多样性和复杂性。对这些超表面的性能做出准确的测量是一项重要的工作。
目前针对于超表面性能的分析，主要集中在对整个超表面即全模测试，这种测试方法可以精确、完整的得到超表面的全部性能，但是全模样品加工成本高，时间长。极化是电磁波重要属性，电磁波的极化调控被广泛应用于通信、探测等方面。通过查阅已发表的文献发现，超表面的极化转换特性的测试是通过远场发射接收方式进行的，对测试系统要求高，测试费用高。因此，对全尺寸超表面的性能测试并不是一种理想的选择，更多的时候需要一种加工和测试成本低、系统简单、效率高的测试方案。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出一种超表面测试装置及PB相位测试方法，该测试装置可以较为快速且准确地得到通过对旋转角度不同的超表面单元结构的测量，获取其PB相位，以此来获取单元结构的几何相位调控能力。PB(Pancharatnam-Berry)相位是与电磁波的偏振或极化相关的几何相位，即基于亚波长单元结构的PB相位可以更灵活地调控电磁波。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种超表面测试装置，测试装置包括：第一同轴波导转换器、第二同轴波导转换器、正交模耦合器、极化器、反射波导、矢量网络分析仪(VNA)：两个同轴波导转换器的同轴端与矢量网络分析仪连接，波导端与正交模耦合器连接；正交模耦合器、极化器、反射波导依次相连；反射波导具有用于反射入射圆极化波的反射面；超表面测试装置装载被测结构时，测得反射信号S11：第一同轴波导转换器辐射与前述线极化波相同极化方向的线极化波，依次通过正交模耦合器、极化器、反射波导，经过反射波导的反射面和被测结构反射，又通过极化器、正交模耦合器后，被被测结构极化转换的反射波由第一同轴波导转换器接收，在矢量网络分析仪上显示相应的反射信号S11。
进一步地，测试装置包括能带动被测结构转动的电机。
进一步地，极化器为圆极化器、反射波导为反射方波导，使用方圆过渡波导用于两者的连接。
进一步地，第一同轴波导转换器、第二同轴波导转换器、正交模耦合器、极化器、反射波导间固定连接或可拆卸连接。
进一步地，被测结构可以为单个超表面单元结构或由N×M个超表面单元结构组成的阵列，N与M为正整数。
本发明还提出以下技术方案：
一种基于如上所述的超表面测试装置的PB相位测试方法，包括：
1)测得反射信号S11，具体包括：
加载被测结构，第一同轴波导转换器辐射与前述相同极化方向的线极化波，通过正交模耦合器进入极化器被转换为圆极化波，圆极化波进入反射波导被反射面和结构反射，被结构极化转换的部分圆极化入射波转化为旋向与入射波相同的圆极化反射波，未被结构极化转换的部分圆极化入射波转化为旋向与入射波相反的圆极化反射波；两种圆极化反射波通过极化器被转化为正交的两个方向的线极化波，由正交模耦合器分离并分别通过两个同轴波导转换器接收反射波，被结构极化转换的部分反射波由第一同轴波导转换器接收，即反射信号S11；
2)转动被测结构，旋转角度为θ；自动采集不同角度θ所对应的S11的相位信息；
3)选取所测频段范围任意频点，绘制θ与相位信息坐标图。
其中，本发明所述的测试装置，可根据被测结构大小和工作频率范围定制波导结构尺寸。
进一步地，第一同轴波导转换器辐射的线极化波可以为H极化、V极化或其他极化方向的线极化波。
本发明与现有技术相比，有益效果为：使用本测试装置对超表面单元结构进行测试，不需要远场测试设备，结构紧凑，可有效降低全尺寸超表面极化特性测试过程所需要加工和测试成本，提升测试工作效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实例中所用被测结构；
图3为本发明实例中被测结构极化转换测试与理论对比图；
图4为本发明实例中被测结构PB相位测试与理论对比图。
附图标记：
1-第一同轴波导转换器、2-第二同轴波导转换器、3-正交模耦合器、4-极化器、5-方圆过渡波导、6-反射波导、7-被测结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
如图1所示，一种超表面测试装置，包括：第一同轴波导转换器1、第二同轴波导转换器2、正交模耦合器3、极化器4、反射波导6、矢量网络分析仪(VNA)；两个同轴波导转换器1、2用于发射和接收正交线极化波，两个同轴波导转换器的同轴端与矢量网络分析仪连接，用于向矢量网络分析仪传递信号，波导端与正交模耦合器3连接；正交模耦合器3能分离或合成正交线极化波；正交模耦合器3、极化器4、反射方波导6依次相连。第一同轴波导转换器1、第二同轴波导转换器2、正交模耦合器3、极化器4、反射波导6间可固定连接也可采用可拆卸连接，其连接方式并不影响功能的实现，本实施例中依次通过螺钉相互连接。极化器4可实现入射的线极化转化为圆极化波，也能把反射回来的圆极化波转化为线极化波。反射波导6具有用于反射入射圆极化波的反射面。本实施例中，为便于说明，系统采用水平方向布置，实际运用中，系统的摆放位置可以设置为垂直或其他向。本领域技术人员可根据被测结构大小和工作频率范围定制波导结构尺寸。
本实施例中，第一同轴波导转换器1和第二同轴波导转换器2所选型号为HD-100WCAS、正交模耦合器3所选型号为HD-100CWOMT23.825T3、极化器4所选型号为HD-23.825CWPST1、反射波导6所选型号为HD-20X20WSST1，另外，由于所选的极化器4截面为圆形，反射波导6截面为方形，因此为了连接上述两个装置，这里选用了型号为HD-20X20RCA23.825T1的方圆过渡波导5，方圆过渡波导5的圆波导口与圆极化器4相连，方波导口与反射方波导6相连；如果上述两个装置截面形状相同，可以直接进行连接，无需另选其他装置；另外，这里仅对本实施例所选型号进行举例说明，本领域技术人员可根据实际条件进行同轴波导转换器、正交模耦合器、圆极化器、方圆过渡波导、反射方波导的选择。在测试时，被测结构可以是单个的超表面单元结构，如图2所示；也可以是由多个超表面单元结构组成的阵列，如N×N或N×M个图2所示的超表面单元结构所组成的阵列，N与M为正整数。测试时，可将如图2所示的超表面单元结构装配到图1中7的位置。被测结构为长方形贴片长为l，宽为w，本实施例中，其取值为l＝18mm，w＝5mm，材质为不锈钢，贴片厚度1mm。贴片距离反射面的距离为7.5mm。超表面单元结构材质也可为介质，本测量装置的测量原理与超表面单元结构的材质无关，可用于任意材质的超表面单元结构的圆极化转换效率的测试。为了测量超表面单元结构PB相位，本实施例中，使用电机带动固定在电机轴上的超表面单元结构进行旋转，电机可改变被测结构转角θ。实际使用中，只要被测结构或前述测试装置相互间能相对旋转即可实现对PB相位的测量，这里并不对产生相对旋转的具体结构进行限制。
该测试装置的极化转换效率测试使用方法如下：包括以下步骤：
1)取得基准信号：未装载超表面单元结构，测得归一化反射信号S21。这里的S21表示的是由第一同轴波导转换器1发出的，并由第二同轴波导转换器2接收的信号，同理，S11表示的是由第一同轴波导转换器1发出的，并由第一同轴波导转换器1接收的信号。为便于分辨，这里将此步的S21标识为S21-1。在第一同轴波导转换器1输出的电磁波频率段内，通过直通校准该反射信号S21的振幅值，表征第一同轴波导转换器1输入线极化波能量与输出线极化波能量之比。电磁波发射和接收过程如下：第一同轴波导转换器1辐射H极化波，通过正交模耦合器3的公共端口进入极化器4被转换为圆极化波，圆极化波通过方圆过渡波导5，进入反射波导6，此时，进入反射波导6的圆极化波被反射面反射，同时由于半波损失，入射波被反射波导6极化转换为正交的圆极化反射波，正交圆极化反射波又通过极化器4被转化为V极化，再由正交模耦合器3分离后，由第二同轴波导转换器2接收，在矢量网络分析仪上显示信号S21-1，再通过操作矢量网络分析仪对S21-1的振幅值进行直通校准，校准后该值近似为1，具体校准方法为本领域技术人员的常规使用手段，这里不做赘述。
2)加载被测结构，被测结构被加载在反射面之前，测得反射信号S21-2。电磁波发射和接收过程如下：第一同轴波导转换器1辐射与步骤1)相同的极化波，本实施例中为H极化波，通过正交模耦合器3进入极化器被转换为圆极化波，圆极化波通过方圆过渡波导5，进入反射波导6被反射面反射，由于半波损失和被测结样品共同作用，由被测结构极化转换的圆极化入射波转化为旋向与入射波相同的圆极化反射波，未被测结构极化转换的圆极化入射波转化为旋向与入射波相反的圆极化反射波；两种圆极化反射波通过极化器4被转化为正交的两个方向的线极化波，由正交模耦合器3分离并分别通过两个同轴波导转换器接收，未被被测结构极化转换的部分由第二同轴波导转换器2接收，并在矢量网络分析仪上显示信号S21-2，被测结构极化转换的部分由第一同轴波导转换器1接收，即反射信号S11；
3)步骤1)获取的S21-1振幅平方减去加载被测结构时的S21-2的振幅平方，即为被测结构(此时为附图2所示的单个超表面单元结构)的圆极化转换效率(S21-1)2-(S21-2)2。需要注意，这里第一同轴波导转换器1辐射H极化波，是为了便于说明，除此之外，也可选择V极化波或其他方向极化波。
圆极化转换效率测试结果如图3所示，本实施例中，通过数值模拟证实，该测试装置进行的极化转换效率测试结果(如虚线所示)与CST理论仿真结果(如实线所示)是吻合的。需要注意，在使用CST理论仿真来验证测试装置性能时，CST理论仿真的参数设置需要与实际测试装置相一致；如本实施例中被测结构与电机轴连接，电机轴直径为3mm，反射波导6的反射面中心预留3.1mm直径小孔，便于电机轴进入反射波导6，调节电机轴位置，使被测结构距离反射波导6的反射面7.5mm，那么在做CST理论仿真时，也需要仿真相同的电机轴和被测结构距离反射波导6的反射面的距离，才能保证仿真结果与测试装置的可比性。在10-11GHz范围内，所选被测结构的最大的极化转换率为97.87％，且在f＝10.588GHz附近，极化转换率接近100％。
该测试装置同时可用于PB相位测试，用于确定所设计的超表面单元结构是否具有优良的几何相位调控能力，具体步骤包括：
通过加载被测结构测得反射信号S11，转动被测结构，转速为v1，转过的角度为θ。因被测结构每旋转180°，其PB相位变化为2π，通常给定较慢的转速可以获得更精准的PB相位，但速度过低会影响数据测量的效率，因此其值可由本领域技术人员根据实际进行具体选择；通过自动采集不同角度θ，所对应的S11的相位信息；选取所测频段范围任意频点，绘制θ与相位信息坐标图。需要注意，这里第一同轴波导转换器1辐射H极化波，是为了便于说明，除此之外，也可选择V极化波或其他方向极化波。
本测试装置用于测试PB相位的结果如图4所示，提取频率f＝10.588GHz处的不同角度θ所对应的S11的相位变化关系，该波导装置测试的PB相位与理论是一致的，即本测试装置具有优良的PB相位测试准确度。
综上所述，本发明提出了一种用于极化转换超表面单元结构的交叉极化测试装置及测试方法，该测试方法可较为快速且准确的得到被测结构的极化转换性能和PB相位。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种超表面测试装置，所述测试装置包括：第一同轴波导转换器(1)、第二同轴波导转换器(2)、正交模耦合器(3)、极化器(4)、反射波导(6)、矢量网络分析仪，其特征在于：
所述第一和第二同轴波导转换器的同轴端与所述矢量网络分析仪连接，波导端与所述正交模耦合器(3)连接；所述正交模耦合器(3)、极化器(4)、反射波导(6)依次相连；所述反射波导(6)具有用于对入射的圆极化波进行反射的反射面；
所述超表面测试装置装载被测结构时，测得反射信号S11：所述第一同轴波导转换器(1)辐射与前述线极化波相同极化方向的线极化波，依次通过所述正交模耦合器(3)、所述极化器(4)、所述反射波导(6)，经过所述反射波导(6)的反射面和被测结构反射，又通过所述极化器(4)、所述正交模耦合器(3)后，被被测结构极化转换的反射波由所述第一同轴波导转换器(1)接收，在所述矢量网络分析仪上显示相应的反射信号S11。
2.根据权利要求1所述的一种超表面测试装置，其特征在于：
所述测试装置还包括能带动被测结构转动的电机。
3.根据权利要求2所述的一种超表面测试装置，其特征在于：
所述被测结构与所述电机的电机轴采用机械连接方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种超表面测试装置，其特征在于：
所述极化器(4)为圆极化器、所述反射波导(6)为反射方波导，其中，使用方圆过渡波导(5)用于上述两者的连接。
5.根据权利要求1所述的一种超表面测试装置，其特征在于：
所述第一同轴波导转换器(1)、第二同轴波导转换器(2)、正交模耦合器(3)、极化器(4)、反射波导(6)间固定连接或可拆卸连接。
6.根据权利要求1所述的一种超表面测试装置，其特征在于：
所述被测结构可以为单个超表面单元结构或由N×M个超表面单元结构组成的阵列，N与M为正整数。
7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的超表面测试装置的PB相位测试方法，其特征在于，该PB相位测试方法包括：
1)测得反射信号S11，具体包括：
加载被测结构，第一同轴波导转换器(1)辐射线极化波，该线极化波通过正交模耦合器(3)进入极化器(4)被转换为圆极化波，圆极化波进入反射波导(6)被反射面和被测结构反射，反射的圆极化波通过极化器(4)被转化为正交的两个方向的线极化波，该正交的两个方向的线极化波由正交模耦合器(3)分离并分别通过第一和第二同轴波导转换器接收反射波，被被测结构极化转换的反射波由第一同轴波导转换器(1)接收，即得到相应的反射信号S11；
2)转动被测结构，旋转角度为θ；自动采集不同角度θ所对应的反射信号S11的相位信息；
3)选取所测频段范围任意频点，绘制θ与相位信息坐标图。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：
所述第一同轴波导转换器(1)辐射的线极化波可以为H极化、V极化或其他极化方向的线极化波。
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| CN114371348B (zh) | 2023-07-21 |
| CN114371348A (zh) | 2022-04-19 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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