CN117517799A - 一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法。该设计根据调制散射原理，将光源照射在待测有源射频阵列表面的半导体片上产生光电导效应，生成的等离子体散射待测射频阵列发射的电磁波，通过控制光源光束在待测区域内扫描，并使用接收天线及信号接收处理装置接收和处理光斑处等离子体的散射信号，即可测量出有源射频阵列表面的电磁波的幅度相位分布，从而进行有源射频阵列的校准、诊断及检测。本发明系统构成简洁，测量射频阵列的表面场分布，可以观察射频阵列的亚波长结构细节，相较传统测量方法，本发明测量具有分辨率高、效率高的优点，同时避免了探头影响及机械扫描引入的误差，是一种精确、快速的有源射频阵列测量方法。

Description

一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法

技术领域

本发明属于电磁波测量领域，具体涉及一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法。

技术背景

射频阵列在雷达、通信和电磁探测等方面有着广泛应用，在实际使用前，需要对其进行校准、诊断及检测，因此对有源射频阵列工作状态、幅度及相位快速测量尤为重要。目前比较成熟的测量方法主要分为远场测量与近场测量两种方法，其中远场测量主要利用高架场法或反射场法，在射频阵列的远场区对其进行测量，此时阵列单元可以近似为理想点源，放宽了对测量先验信息的要求，但测量数据精度低、环境噪声大，对反演算法的抗噪声性能有较高要求；近场测量是采用一个探头在射频阵列近场区进行测量，比较常见的探头为一个性能已知的开口波导，与矢量网络分析仪等信号接收处理装置相连，利用机械装置在平面、柱面或球面中移动测量，完成待测区域内电磁信号的采集，然而近场探头扫描需要的时间较长，在待测有源射频阵列较多，频率较高时完成一次近场测量可能需要数小时，且金属探头对待测电磁场的扰动及机械装置的移动误差都会影响测量结果的准确性。随着射频阵列技术的不断发展，阵列单元逐渐开始小型化、高频化，现有的测量技术耗时长且分辨率低，难以适应实际测量要求。

对于阵列单元校准问题，王晓鹏等人在“基于近场测试的相控阵天线自动化校准与阵面监测方法”,微波学报,229-232(2012)，提出了一种自动化近场逐点校准方法，该测量方法需要逐个开启射频单元并将探头转移至阵列单元正前方进行校准，探头与射频单元的耦合效应会引入额外误差。熊灿曾在博士论文“基于压缩感知的相控阵天线失效单元诊断方法”,上海交通大学(2021)，提出利用压缩感知算法，利用对射频阵列的先验信息，避免了探头移动带来的影响。

光电导效应是指半导体材料在受到光照射时，被照射区域载流子浓度增加，从而形成等离子体且电导率增加的现象。根据调制散射理论，形成的等离子体会散射该位置处的待测电磁波，散射信号的幅度与相位与待测电磁波有关。利用此理论，本发明提出将半导体放置在待测射频阵列表面，利用光源照射半导体，通过控制光束位置扫描整个待测区域，并利用信号接收处理装置进行散射信号接收与处理，即可快速测量出射频阵列表面的电磁波的幅相信息。本方法中光源发射的光束聚焦后在半导体上照射的光斑很小，且每一个光斑相当于等效的探头，相较于传统利用探头的近场测量形式，本测量方法的“探头”尺寸仅与光斑尺寸相关，且半导体片距离射频阵列较近，可实现高分辨率的单元感应场测量，观察射频单元的亚波长结构细节；利用振镜控制光源光束在半导体上快速扫描，提高了测试效率；本测量方法利用光束扫描代替扫描架，减小了机械移动定位精度以及探头所连射频线缆移动带来的误差，可实现准实时的有源射频阵列的高精度测量。

发明内容

本发明的目的在于，提出了一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法。该测量系统利用光束扫描代替传统机械探头扫描，提高了测量分辨率及测试效率；测量过程中接收天线与相连的射频线缆位置固定，避免了探头扫描时扫描架及线缆移动对单元测试引入的误差。本发明可以进行超分辨率的电场幅相分布成像，直接测量出包含射频单元结构特征的幅度相位信息以及工作状态，从而进行有源射频阵列的校准、诊断及检测。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：包括半导体片；光源；光源控制模块；信号激励装置；接收天线；信号接收处理装置；同步控制模块：

所述有源射频阵列不具有互易特性，包括但不限于发射相控阵天线、接收相控阵天线等形式；

所述半导体片在受到光照射后，被照射区域由于光电导效应可以形成等离子体，生成的等离子体可以散射待测有源射频阵列发射的电磁波，半导体片放置在待测有源射频阵列表面；

所述光源放置在半导体片后侧，光源出射的光束范围可以覆盖半导体片，用于激发半导体片形成等离子体；

所述光源控制模块与光源连接，用于控制光源状态以及出射光束在半导体片上的位置；

所述信号激励装置用于给有源射频阵列提供射频激励信号；

所述接收天线用于接收半导体片散射的电磁信号；

所述信号接收处理装置与接收天线连接，用于接收与处理待测电磁信号；

所述同步控制模块与光源控制模块、信号激励装置及信号接收处理装置连接，用于发送指令控制光源控制模块及信号接收处理装置，实现对有源射频阵列发射信号的采集与处理。

所述半导体片具有光电导效应，受到光照后照射区域形成等离子体；其形状可根据待测有源射频阵列形状制备为平面或曲面。

所述光源的波长选择在可激发半导体产生等离子体的波长范围内，光源形式包括但不限于半导体激光、光纤激光、投影仪等。

所述光源控制模块可以控制光源的状态以及亮灭状态，同时可以控制光源出射光束在半导体片上的位置。

所述接收天线为具有互易性的无源天线，工作频段覆盖待测有源射频阵列的工作频率，所述信号接收处理装置能够处理接收频率的电磁信号，且能够准确处理出相应的频率与相位。

其中，使用该系统测量有源射频阵列的方法步骤如下：

步骤1：将半导体片放置在待测有源射频阵列表面；

步骤2：通过同步控制模块设置光束扫描范围参数；

步骤3：通过同步控制模块设置信号激励装置及信号接收处理装置的接收处理参数，信号激励模块产生射频激励信号；

步骤4：同步控制模块向光源控制模块发送指令，控制光源发射光束至扫描范围内某一位置，该位置处半导体片受到光照射后产生光电导效应，生成等离子体；

步骤5：生成的等离子体散射待测有源射频阵列发射的电磁波，散射的电磁信号被接收天线接收；

步骤6：信号接收及处理装置将光源亮灭状态时接收天线采集到的信号做差，对信号差值进行处理得到该点的电磁信号，并将信号解析为幅度及相位的形式；

步骤7：重复步骤4-6并改变光源出射光束在半导体片的位置，直至完成整个待测范围内的扫描，获得该区域电磁信号的幅相信息，并由此进行有源射频阵列的校准、诊断及检测。

本发明的有益效果为：与现有的有源射频阵列测量方法相比，本发明设计的测量系统使用半导体产生的等离子体作为等效探头，避免了传统探头对待测电磁场的影响，同时提高了测量分辨率；利用光束扫描代替机械架扫描，减小了机械移动误差并极大地提高了测量速度；本发明测量有源射频阵列的感应场，由此可以得到更多射频阵列的细节信息；测量过程中接收天线与相连的射频线缆位置固定，避免了探头扫描时线缆移动引入的误差。本发明是一种精确、快速的有源射频阵列测量方法。

附图说明

图1为本发明第一实施例的基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统；

图1的附图标记说明：

1-半导体片；2-光源；3-光源控制模块；4-信号激励装置；5-接收天线；6-信号接收处理装置；7-同步控制模块；8-待测有源射频阵列；9-待测射频阵列发射的电磁波；10-光源出射光束；11-光电导效应产生的等离子体；12-等离子体散射的电磁信号。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不是把本发明的实施范围局限于此。

如图1所示，该实施例的基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统包括：半导体片1，用于生成等离子体散射待测射频阵列的电磁波；光源2，用于产生光束照射半导体片以激发等离子体；光源控制模块3，用于控制光源出射光束的状态及照射位置；信号激励装置4，用于给有源射频阵列提供射频激励信号；接收天线5，用于接收散射的电磁波；信号接收处理装置6，用于接收及处理散射电磁信号；同步控制模7，用于发送指令控制光源控制模块及信号接收处理装置。

如图1所示，当基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统工作时，针对频率为f₀的待测射频阵列的测量，应首先将半导体片1放置在待测射频阵列8表面，且要求半导体片1能够完全覆盖待测射频阵列8表面，特别的，根据待测射频阵列形状制备为平面或曲面进行感应场测量。

特别的，为方便说明，本实施例中的待测射频阵列8选用由m行n列个相同的射频单元构成的发射相控阵天线，此外，本测量系统及方法可以根据实际需求测量任意构成单元、任意排布方式射频阵列的感应场，待测有源阵列可以为发射阵列或接收阵列。

将光源2放置在半导体片1的另一侧，调节光源位置使其出射光束10范围能够覆盖半导体片。本实施例中的光源选用半导体激光器，此外，也可以选用光纤激光、投影仪等光源及其阵列形式。

特别的，本实施例中信号激励装置4和信号接收处理装置6采用矢量网络分析仪，可以测量待测阵列端口与接收天线端口的散射参量，此外，也可以选用矢量信号源作为信号激励装置，采用频谱仪、示波器等仪器作为信号接收处理装置。

使用同步控制模块7发送指令至光源控制模块3，设置光束10的扫描范围，使扫描光束10在半导体片生成的等离子阵列能够覆盖待测区域，同时合理设置扫描间距d，使得等离子体11所等效的探头能够进行高分辨率采样，特别的，本实施例中设置出射光束在半导体片上扫描形成i行j列的光斑，此外，光源的扫描形式可以根据实际测试需要设计成其他形式。

第i行第j列光斑对应的等离子体散射待测射频阵列8发射的电磁波9，经等离子体11散射电磁信号12，根据调制散射理论，在半导体片厚度均匀的情况下，由等离子体散射的电磁信号ΔE_rp1与该位置处射频阵列发射的电磁信号E_rp1成正比，令ΔE_rp1＝αE_rp1。其中α为与等离子体散射特性相关的常量。根据互易原理，可以得到下式：

其中，1端口为待测射频阵列所连端口，2端口为接收天线对应的端口，ΔS₂₁、ΔS₂₂分别为光源亮灭前后对应散射参量的变化量，E₁为1端口发射的电场大小，在测量过程中为一固定值。因ΔS₂₁是由1端口所连待测射频阵列及2端口所连接收天线辐射特性共同决定的，所以需要去除2端口所连接收天线的特性影响，由于接收天线具有互易性，根据可以得到接收天线在半导体片上的辐射特性，因此根据式(1)的计算，可直接通过求出待测射频阵列发射信号在第i行第j列离子体处的幅相信息。对于接收相控阵天线，则接收天线变为发射天线，待测阵列作为接收方，此时将需将式(1)中ΔS₂₁变为ΔS₁₂，即可求出其幅相信息。通过光源光束的扫描即可得到在整个扫描范围内发射信号幅度相位空间分布，完成有源射频阵列快速测量，并可由此推导出射频阵列的幅度相位信息以及工作状态，从而进行有源射频阵列的校准、诊断及检测。

Claims (7)

1.一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：包括半导体片；光源；光源控制模块；信号激励装置；接收天线；信号接收处理装置；同步控制模块：

所述有源射频阵列包括但不限于发射相控阵天线、接收相控阵天线等形式；

所述半导体片在受到光照射后，被照射区域由于光电导效应可以形成等离子体，生成的等离子体可以散射待测有源射频阵列发射的电磁波，半导体片放置在待测有源射频阵列表面；

所述光源放置在半导体片后侧，光源出射的光束范围可以覆盖半导体片，用于激发半导体片形成等离子体；

所述光源控制模块与光源连接，用于控制光源状态以及出射光束在半导体片上的位置；

所述信号激励装置用于给有源射频阵列提供射频激励信号；

所述接收天线用于接收半导体片散射的电磁信号；

所述信号接收处理装置与接收天线连接，用于接收与处理待测电磁信号；

所述同步控制模块与光源控制模块、信号激励装置及信号接收处理装置连接，用于发送指令控制光源控制模块及信号接收处理装置，实现对有源射频阵列发射信号的采集与处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述有源射频阵列不具有互易特性，包括但不限于发射相控阵天线、接收相控阵天线等形式。

3.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述半导体片具有光电导效应，受到光照后照射区域形成等离子体；其形状可根据待测射频阵列形状制备为平面或曲面。

4.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述光源的波长选择在可激发半导体产生等离子体的波长范围内，光源形式包括但不限于半导体激光、光纤激光、投影仪等。

5.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述光源控制模块可以控制光源的亮灭情况以及光源出射光束在半导体片上的位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述接收天线为具有互易性的无源天线，工作频段覆盖待测有源射频阵列的工作频率，所述信号接收处理装置能够处理接收频率的电磁信号，且能够准确处理出相应的幅度与相位。

7.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的有源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：使用该系统测量有源射频阵列的方法步骤如下：

步骤1：将半导体片放置在待测有源射频阵列表面；

步骤2：通过同步控制模块设置光束扫描范围参数；

步骤3：通过同步控制模块设置信号激励装置及信号接收处理装置的接收处理参数，信号激励模块产生射频激励信号；

步骤4：同步控制模块向光源控制模块发送指令，控制光源发射光束至扫描范围内某一位置，该位置处半导体片受到光照射后产生光电导效应，生成等离子体；

步骤5：生成的等离子体散射待测有源射频阵列发射的电磁波，散射的电磁信号被接收天线接收；

步骤6：信号接收及处理装置将光源亮灭状态时接收天线采集到的信号做差，对信号差值进行处理得到该点的电磁信号，并将信号解析为幅度及相位的形式；

步骤7：重复步骤4-6并改变光源出射光束在半导体片的位置，直至完成整个待测范围内的扫描，获得该区域电磁信号的幅相信息，并由此进行有源射频阵列的校准、诊断及检测。