專利名稱：緊縮場天線測量系統(tǒng)的制作方法
緊縮場天線測量系統(tǒng)
技術領域：
本發(fā)明涉及緊縮場測試領域，特別是涉及一種包含超材料的緊縮場天線測量系統(tǒng)。
背景技術：
當前測量目標(如天線等)散射特性的基本方法有遠場法、緊縮場法和近場法。對于遠場法，設D為待測目標的最大截面尺寸，r為發(fā)射天線與待測目標的距離，則當r^2D~2/A時(X為波長)，可近似認為投射到待測目標上的電磁波是平面電磁波。同樣，接收天線與待測目標的距離也應滿足這一要求，以使接收天線接收散射遠場。轉動待測目標，測出相應的散射遠場，即可確定目標的遠場散射方向圖，通過與標準目標進行比較，可 以獲得目標的雷達散射截面積圖(英文名稱Radar Cross-Section,縮寫為RCS)。但這種遠場測試方法需要寵大的測試場地，且由于待測目標的遠場散射信號一般比較弱(對于低RCS目標則更是如此)，因而給精確測量帶來了很大的困難。而緊縮場(英文名稱為Compact Anternna Test Range,簡稱CATR)天線測量系統(tǒng)可以在近距離內提供一個性能優(yōu)良的準平面波測試區(qū)。緊縮場天線測量系統(tǒng)采用精密的反射面，將信號源產生的球面波在近距離內變換為平面波，從而滿足遠場測試要求。緊縮場天線測量系統(tǒng)就是能在較小的微波暗室里模擬遠場的平面波電磁環(huán)境進行多項測量和研究，如天線方向圖測量、增益比較、雷達散射截面測量、微波成像等。同時可以進行微波電路、元器件的網(wǎng)絡參數(shù)測量和高頻場仿真。與外場和室內近場比較，緊縮場的優(yōu)點是I.)收、發(fā)天線間的距離短，大大減小了實際占有的空間。2.)緊縮場產生的平面波將聚集在平面波束內，暗室內四側壁的照射電平低，從而降低了對暗室的要求。在微波暗室設計合理，并采用背景對消的條件下，可使緊縮場的背景電平達到-60 -70dBsm。3.)便于實現(xiàn)待測天線發(fā)射波瓣的測試(換接容易，不需電纜)。4.)安裝在微波暗室的緊縮場保密性好，而且可全天候高效地工作，便于測試管理。另外，室內緊縮場受氣候環(huán)境影響小，改善了測試條件，因而提高了 RCS的測量效率。5.)緊縮場的工作頻率可以從幾百MHz到幾百GHz，能滿足毫米波和亞毫米波測試要求?，F(xiàn)有技術中緊縮場天線測量系統(tǒng)由微波暗室、緊縮場天線、饋源組合、饋源轉臺、天線測試轉臺、微波信號源、微波測量接收機、數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理機(計算機)及顯示輸出設備等組成。上述緊縮場天線測量系統(tǒng)的微波信號源被反射面在較短距離形成理想的平面電磁波，以測量待測設備。然而，上述緊縮場天線測量系統(tǒng)的反射面設計精度及加工藝要求極高；而且制造反射面一般采用銀等成本較高的材料制成，使得緊縮場天線測量系統(tǒng)造價比較昂貴。
發(fā)明內容本發(fā)明提供一種緊縮場天線測量系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有緊縮場天線測量系統(tǒng)的反射面設計精度、加工藝要求過高及造價比較昂等的問題。一種緊縮場天線測量系統(tǒng)包括設置于所述微波暗室內的饋源，所述緊縮場天線測量系統(tǒng)還包括由多片超材料層疊加形成的一平面波生成單元，每一片超材料層包括基材以及設置在基材上的多個人造孔微結構，所述饋源產生的電磁波穿過所述平面波生成單元后轉換成平面電磁波。進一步地，所述平面波生成單元對入射電磁波的折射率從中間區(qū)域向兩端逐漸減小。進一步地，所述多個人造孔微結構呈陣列式排布于基材內。進一步地，所述人造孔微結構尺寸由所述基材的中間區(qū)域向周圍逐漸變大。
進一步地，所述人造孔微結構的尺寸相同且排布密度由基材的中間區(qū)域向周圍逐漸變密。進一步地，所述人造孔微結構的尺寸相同且填充有介質；其內填充介質的介電常數(shù)由基材的中間區(qū)域向周圍逐漸變小。進一步地，所述多片超材料的基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制成。進一步地，所述孔微結構為圓柱孔、球形孔，方形孔或不規(guī)則形孔。進一步地，所述孔微結構通過沖壓工藝形成于所述多片超材料的基材上。進一步地，所述孔狀微結構中填充有介質，所述介質的材質與所述多片超材料的基材的材質不相同。通過采用超材料制成的平面波生成單元代替現(xiàn)有技術中的反射面，根據(jù)測試要求計算機仿真面波生成單元折射特性，使所述饋源產生的電磁波經所述平面波生成單元折射后，在所述天線測試轉臺上提供一個性能優(yōu)良的準平面波測試區(qū)以用于測試待測設備。因此，上述緊縮場天線測量系統(tǒng)的省略了制造高精度的反射面及高難度的加工藝；大大降低了緊縮場天線測量系統(tǒng)造價成本。

圖I是本發(fā)明一實施例中的緊縮場天線測量系統(tǒng)示意圖。圖2為圖I所示平面波生成單元沿中心軸對稱的折射率分布示意圖電。圖3為圖I所示磁波經平面波生成單元形成平面電磁波的示意圖。圖4為圖3所示為平面波生成單元其中一片超材料層一種實施方式的平面示意圖。圖5為圖3所示為平面波生成單元其中一片超材料層另一種實施方式的平面示意圖。
具體實施方式本發(fā)明實施例提供了一種緊縮場天線測量系統(tǒng)，下面結合附圖對該裝置進行詳細說明。
請參閱圖2，緊縮場天線測量系統(tǒng)10產生平面電磁波的示意圖。緊縮場天線測量系統(tǒng)10包括微波暗室11、設置于所述微波暗室11內的饋源13、天線測試轉臺17及平面波生成單元15，其中所述平面波生成單元15由超材料制成。所述緊縮場天線測量系統(tǒng)10的饋源13和天線測試轉臺17分別位于所述平面波生成單元15的兩側。所述饋源13產生的電磁波經所述平面波生成單元15折射后，在所述天線測試轉臺17上提供一個性能優(yōu)良的準平面波測試區(qū)以用于測試待測設備19。所述平面波生成單元15是由多片超材料層疊加而成，且對入射電磁波的折射率分布如圖2所示，中心軸處的折射率為nl,以中心軸AA'與超材料單元的交點為圓心,隨著半徑的逐漸增加折射率逐漸變小，而且隨著半徑的增大，折射率的變化量逐漸增大，其中Ii1> n2 > n3 >…> np, OimJv1) > Ov1-Iv2), m為大于3小于等于q的自然數(shù)。從而保證饋源13產生的電磁波經由平面波生成單元15平行射出后并在天線測試轉臺17上提供一個性能優(yōu)良的準平面波。如圖4所示，由饋源13發(fā)出的電磁波經過由多片超材料基材疊加的平面波生成單元15匯聚后沿SI方向平行傳出時,偏折角0與折射率的關系為Sin 0 = q An(參 見 Metamaterials Theory, Design, and Applications, Publisher Springer, ISBN1441905723，75頁-76頁)，其中q是沿軸向排列的超材料基材厚度，A n表示相鄰單元的折射率變化量，且0 < q An < I,由上述公式可知,超材料單元上相鄰單元的折射率變化量大小相同時，對于傳輸?shù)皆撐恢玫碾姶挪ǖ钠劢窍嗤?，折射率變化量越大，偏折角越大。材料的折射率與其介電常數(shù)及磁導率存在如下關系n=kV^"，其中k為比例系數(shù)，k取值為正負1，e為材料的介電常數(shù)，u為材料的磁導率，通過對超材料空間中每一點的介電常數(shù)e的精確設計，可以實現(xiàn)由發(fā)射源發(fā)出的電磁波經超材料折射后平行射出并在在天線測試轉臺17上提供一個性能優(yōu)良的準平面波。由上述描述可知，平面波生成單元15每一片超材料層的設計至關重要。下面對每一片超材料做具體說明請參閱圖5，為平面波生成單元15其中一片超材料層的平面示意圖。每一片超材料層包基材41和設置于基材41上的人造孔微結構42?；牟捎媒殡娊^緣材料制成，可以為陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等。人造孔微結構42的剖面圖可以為任何幾何形狀，整個片狀超材料劃分為多個單元(包括該單元中的基材41和附著在該單元基材41上的人造孔微結構42),每個單元都具有一個人造孔微結構42，每一個單元都會對響應電磁波，從而影響電磁波在其中的傳輸，每個單元的尺寸取決于需要響應的電磁波，通常為所需響應的電磁波波長的十分之一，否則空間中包含人造孔微結構單元所組成的排列在空間中對電磁波的響應不能被視為連續(xù)。在基材選定的情況下，可以通過調整人造孔微結構42的形狀、大小以調整超材料上各處的等效介電常數(shù)各處來改變其等效折射率。當人造孔微結構42采用相同的幾何形狀時，某處人造孔微結構42的尺寸越大，則該處的等效介電常數(shù)越小，折射率也越小。在本實施例采用的人造孔微結構的剖面圖案為圓形，基材41上的中間區(qū)域上的人造孔微結構42尺寸最小，則該處的等效介電常數(shù)最大，折射率也最大；人造孔微結構42的尺寸由基材41的中間區(qū)域向兩端逐漸變大，所以基材41折射率分布如圖2所示。因此基材的等效介電常數(shù)由中間區(qū)域向兩端逐漸變小，中間的等效介電常數(shù)及等效磁導率最大，因而基材的折射率從中間區(qū)域向兩端逐漸變小，中間部分的折射率最大。在其他實施方式中，如圖6所示，當人造孔微結構42尺寸大小相同時，其排布密度由基材41的中間區(qū)域向兩端逐漸變密，從而使基材41產生的折射率分布如圖2所示。根據(jù)上述平面波生成單元15設計理論要求，當所述人造孔微結構42的尺寸相同且其內填充介質的介電常數(shù)逐漸變小(如圖7所示)，也可達到折射率分布如圖2所示的平面波生成單元15?；谝陨侠碚?，利用人造孔微結構42的形狀、大小及密度之間的組合也可以設計出折射率分布如圖3所示平面波生成單元15。為了得到折射率分布如圖3所示平面波生成單元15，通過計算機仿真和實驗測試，先預設饋源與平面波生成單元15的距離，預選一個單元(包括該單元中的基材41和附著在基材41上具幾何形狀的人造孔微結構42)作為中心處的單 元，將若干單元(包含不同幾何參數(shù)的人造孔微結構)響應發(fā)射源發(fā)出的電磁波的電磁特性進行測量，存儲測量得到的電磁響應曲線，確定各種不同單元結構的等效介電常數(shù)以及等效磁導率并存在于一個數(shù)據(jù)庫中；然后根據(jù)公式Sin0 = q. An，對于不同的偏轉角度，確定折射率的變化量，確定不同半徑處的折射率，根據(jù)折射率與介電常數(shù)和磁導率的關系從數(shù)據(jù)庫中選擇符合條件的單元結構。超材料層的基材41上的每一人造孔微結構42形成一個單元，每個單元的等效介電常數(shù)e與等效磁導率U在基材41選定的情況下，改變人造孔微結構42的圖案、尺寸和/或在空間中的排列，然后通過計算機建模和仿真而獲本發(fā)明所需的平面電磁波生成單元15，即實現(xiàn)電磁波穿過平面電磁波生成單元15后在短距離內產生符合測試要求的平面波。在其他實施方式中，所述人造孔微結構42中也可填充有介質，如空氣、金屬材料、橡膠、塑料及樹脂等，但填充的介質材質與所述片狀基材41的材質不相同。通過填充其它電磁參數(shù)各異的材料，設計孔狀微結構的位置、數(shù)量，以及填充材料的種類使得材料的電磁參數(shù)分布能夠呈現(xiàn)出更復雜，更豐富的性態(tài)，從而滿足我們對電磁波控制的各方面的要求。在本實施方式中，所述孔微結構42為圓柱孔、球形孔，方形孔或不規(guī)則形孔等。所述孔狀微結構42以一定立體幾何形狀通過沖壓工藝形成于所述多片超材料的基材41上。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進行響應。對電場的響應取決于超材料的介電常數(shù)e，而對磁場的響應取決于超材料的磁導率U。通過對基材41空間中每一點的介電常數(shù)e與磁導率U的精確控制，我們可以實現(xiàn)通過超材料對電磁波的影響。因此，通過設計空間中排列的每個結構的特性，就可以設計出整個非均勻超材料在空間中每一點的電磁特性。這種電磁材料系統(tǒng)將會具有眾多奇異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的引導作用?？谞钗⒔Y構42與介質基材的等效介電常數(shù)e與等效磁導率U的選擇方法為第一步，通過計算機仿真和實驗測試，對基材41若干不同幾何參數(shù)的單元結構(所述單元結構是指由一個孔狀微結構及其周圍空間的基材材料組成的晶格)在一定范圍內的電磁特性進行測量，存儲測量得到的電磁響應曲線，確定各種不同的單元結構之介電常數(shù)以及磁導率并存在于一個數(shù)據(jù)庫中；第二步，根據(jù)需要的影響電磁波的效果確定相應的介電常數(shù)以及磁導率，存在一個數(shù)據(jù)庫中。第三步，根據(jù)上述的介電常數(shù)以及磁導率從數(shù)據(jù)庫中選擇超材料相應點的單元結構。通過采用超材料制成的平面波生成單元15代替現(xiàn)有技術中的反射面，根據(jù)測試要求計算機仿真面波生成單元15折射特性，使所述饋源13產生的電磁波經所述平面波生成單元15折射后，在所述天線測試轉臺17上提供一個性能優(yōu)良的準平面波測試區(qū)以用于測試待測設備。因此，上述緊縮場天線測量系統(tǒng)的省略了制造高精度的反射面及高難度的加工藝；大大降低了緊縮場天線測量系統(tǒng)造價成本。上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
權利要求
1.一種緊縮場天線測量系統(tǒng)，包括設置于所述微波暗室內的饋源；其特征在于，所述緊縮場天線測量系統(tǒng)還包括由多片超材料層疊加形成的一平面波生成單元，每一片超材料層包括基材以及設置在基材上的多個人造孔微結構，所述饋源產生的電磁波穿過所述平面波生成單元后轉換成平面電磁波。
2.根據(jù)權利要求I所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述平面波生成單元對入射電磁波的折射率從中間區(qū)域向兩端逐漸減小。
3.根據(jù)權利要求2所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述多個人造孔微結構呈陣列式排布于基材內。
4.根據(jù)權利要求3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述人造孔微結構尺寸由所述基材的中間區(qū)域向周圍逐漸變大。
5.根據(jù)權利要求3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述人造孔微結構的尺寸相同且排布密度由基材的中間區(qū)域向周圍逐漸變密。
6.根據(jù)權利要求3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述人造孔微結構的尺寸相同且填充有介質；其內填充介質的介電常數(shù)由基材的中間區(qū)域向周圍逐漸變小。
7.根據(jù)權利要求2或3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述多片超材料的基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制成。
8.根據(jù)權利要求3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述人造孔微結構為圓柱孔、球形孔、方形孔或不規(guī)則形孔。
9.根據(jù)權利要求3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述人造孔微結構通過沖壓工藝形成于所述多片超材料的基材上。
10.根據(jù)權利要求3所述的緊縮場天線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述孔狀微結構中填充有介質，所述介質的材質與所述多片超材料的基材的材質不相同。
全文摘要
一種緊縮場天線測量系統(tǒng)包括設置于所述微波暗室內的饋源；所述緊縮場天線測量系統(tǒng)還包括由多片超材料層疊加形成的一平面波生成單元，每一片超材料層包括基材以及設置在基材上的多個人造孔微結構，所述饋源產生的電磁波穿過所述平面波生成單元后轉換成平面電磁波。采用超材料制成的平面波生成單元代替現(xiàn)有技術中的反射面，根據(jù)測試要求計算機仿真面波生成單元折射特性，使所述饋源產生的電磁波經所述平面波生成單元折射后，在所述天線測試轉臺上提供一個性能優(yōu)良的準平面波測試區(qū)。因此省略了制造高精度的反射面及高難度的加工藝；大大降低了緊縮場天線測量系統(tǒng)造價成本。
文檔編號G01R29/08GK102749529SQ20111009962
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權日2011年4月20日
發(fā)明者劉若鵬, 張洋洋, 徐冠雄, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院