專利名稱：一種雙極化電場快速測量探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁場與微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種天線電場測量技術(shù)，具體來說，是一種可以實(shí)現(xiàn)電場的雙極化快速測量的探頭，可針對某特定頻率的電磁波在某電場平面進(jìn)行實(shí)時的雙極化電場測量。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的天線近場測量系統(tǒng)用單探頭做機(jī)械掃描時耗費(fèi)大量的時間，天線測量的速度成為制約了天線學(xué)科的發(fā)展的因素。利用調(diào)制散射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間上的電場多路測量，還能夠提高測量精度。但傳統(tǒng)的調(diào)制散射技術(shù)使用加載二極管的偶極子天線作為天線測量的探頭，這種探頭的工作頻率較低，而且若以加載二極管的偶極子天線為單元制成二維陣列模式，單元偶極子之間的互耦會降低系統(tǒng)的靈敏度。目前存在一種以橢圓諧振縫隙天線作為單元的二維陣列探頭，通過電控的方式控制每個單元天線的開關(guān)，這種探頭可以非?？焖俚販y量某平面的電場。但這種以橢圓諧振縫隙天線作為單元的二維陣列探頭只能測量一種極化方向的電場分布。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種雙極化電場快速測量探頭，采用一種矩形諧振縫隙作為單元的二維陣列探頭，實(shí)現(xiàn)電場的雙極化的快速測量，獲取足夠的電場信息，從而通過電場分布信息推導(dǎo)遠(yuǎn)場分布及任意平面的電場分布。本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭，包括基板、平面導(dǎo)體板，平面導(dǎo)體板固定于基板上；在平面導(dǎo)體板上設(shè)計(jì)有橫、縱分別為m、η個諧振縫隙單元構(gòu)成的二維陣列諧振矩形縫隙陣列，m ^ 2> n ^ 2ο所述諧振縫隙單元的具體結(jié)構(gòu)為在平面導(dǎo)體板表面切割形成正方形縫隙，正方形縫隙內(nèi)的基板上粘貼固定有正方形的貼片，正方形貼片與正方形縫隙同心，且四條側(cè)邊分別與正方形縫隙的四條側(cè)邊平行。正方形縫隙與正方形貼片間連接有四個PIN 二極管，四個PIN 二極管一端分別與矩形縫隙四條側(cè)邊的中心點(diǎn)連接，另一端分別與貼片四條側(cè)邊的中心點(diǎn)連接；四個PIN 二極管連接后需保證其中兩個PIN 二極管位于貼片的橫向軸線上，正負(fù)端同向；另兩個PIN 二極管位于貼片的縱向軸線上，正負(fù)端同向；同時四個PIN 二極管中的兩個PIN 二極管的正端與正方形縫隙的側(cè)邊相連，此時，兩個相鄰的PIN 二極管與正方形縫隙焊接一端必為正端，另兩個相鄰的PIN 二極管與正方形縫隙焊接一端必為負(fù)端。由此使諧振縫隙單元具有橫向與縱向兩個極化方向。在導(dǎo)體板上還切割形成兩條分割線，兩條分割線均與貼片橫向軸線或縱向軸線平行，且分別與正方形縫隙相對兩側(cè)邊相交，并與正方形縫隙連通。當(dāng)兩條分割線與貼片橫向軸線平行，且位于貼片橫向軸線上的兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊焊接一端分別為正端或負(fù)端時，則兩條分割線分別位于橫向軸線的下側(cè)與上側(cè)，并分別靠近兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊焊接處。同理，當(dāng)兩條分割線與貼片縱向軸線平行，且位于貼片縱向軸線上的兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊焊接一端分別為正端或負(fù)端時，則兩條分割線分別位于縱向軸線的右側(cè)與左側(cè)，并分別靠近兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊焊接處。在兩條分割線兩側(cè)的平面導(dǎo)體板間通過饋電線串聯(lián)有直流電源DC與電阻R，通過直流電源DC為兩組二極管加載正電壓；電阻R的阻值不小于10兆歐，用來防止在諧振縫隙單元工作時產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿饋電線流走。在平面導(dǎo)體板上橫向與縱向上的各個上述結(jié)構(gòu)的諧振縫隙單元中心點(diǎn)共線，且各個諧振縫隙單元的兩個極化方向相同，由此構(gòu)成了本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭。將本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭設(shè)置在待測電場與接收天線間，使平面導(dǎo)體板朝向待測電場，由此通過電控的方式將陣列上的每個諧振縫隙單元逐次逐序開啟，通過接收天線接收各個諧振縫隙單元處的電場信號，便可得到平面導(dǎo)體板上每個諧振縫隙單元處的電場信肩、O本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于I、本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭，可以實(shí)現(xiàn)電場的雙極化快速測量，陣列足夠大時可以實(shí)現(xiàn)電場的實(shí)時測量，從而通過電場分布信息推導(dǎo)遠(yuǎn)場分布及任意平面的電場分布；2、本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，成本較低，便于實(shí)現(xiàn)。


圖I為本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭中諧振縫隙單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為應(yīng)用本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭進(jìn)行電場測量示意4為應(yīng)用本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭單個單元的散射參數(shù)的頻率響應(yīng)仿真結(jié)果圖。圖中I-基板 2-導(dǎo)體板 3-諧振縫隙單元
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作出進(jìn)一步說明。本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭，如圖I所示，包括基板I與固定在基板I前側(cè)面上的平面導(dǎo)體板2 ;基板I采用FR-4敷銅板，即玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板，相對介電常數(shù)為4. 9，厚度約為O. 5mm,敷銅厚度約為O. 035mm。在平面導(dǎo)體板2上設(shè)計(jì)有橫、縱分別為m、η個諧振縫隙單元3構(gòu)成的二維陣列諧振矩形縫隙陣列，m > 2、η > 2，如圖I所示。所述諧振縫隙單元3的具體結(jié)構(gòu)為在平面導(dǎo)體板2表面采用腐蝕切割方式形成的正方形縫隙，令正方形縫隙四條側(cè)邊分別為a、b、C、d，其中，邊a、c分別為上下側(cè)邊，邊b、d分別為左右側(cè)邊，在正方形縫隙內(nèi)的基板I上粘貼固定有正方形的貼片，貼片與正方形縫隙同心，且貼片的材料與厚度均與平面導(dǎo)體板2相同；令貼片的四條側(cè)邊分別為a’、b’、c’、d’，分別與正方形縫隙四條側(cè)邊a、b、C、d平行。在正方形縫隙與貼片間連接有四個PIN 二極管，令四個PIN 二極管分別為第一 PIN
二極管、第二 PIN 二極管、第三PIN 二極管、第四PIN 二極管。其中，第一 PIN 二極管與第三PIN 二極管位于中心貼片縱向軸線上，第一 PIN 二極管的正端、負(fù)端分別與邊a、邊a’中心處焊接定位，第三PIN二極管的正端、負(fù)端分別與邊c’、邊c的中心點(diǎn)焊接定位；第三PIN二極管與第四PIN二極管位于中心貼片橫向軸線上，第三PIN二極管的正端、負(fù)端分別與邊b、邊b’的中心點(diǎn)焊接定位；第四PIN 二極管的正端、負(fù)端分別與邊d’、邊d的中心點(diǎn)焊接定位。由此通過上述四個PIN 二極管的連接方式，使得諧振縫隙單元3橫向與縱向兩個極化方向的電場在適當(dāng)?shù)念l率下均能通過諧振縫隙單元3，實(shí)現(xiàn)雙極化電場測量。本發(fā)明中PIN二極管可選用型號WK0004的微波開關(guān)二極管，由此可以實(shí)現(xiàn)對微波功率的傳輸和反射。為了給四個PIN 二極管加載電壓，需要分割正方形縫隙外圍，因此本發(fā)明在正方形縫隙外圍的平面導(dǎo)體板2上采用腐蝕切割方式形成的兩條分割線，兩條分割線與貼片的橫向軸線平行，且分別與正方形縫隙的邊b、d相交并與正方形縫隙內(nèi)部連通。其中，與邊b連通的分割線位于貼片橫向軸線下方；與邊d連通的分割線位于貼片橫向軸線上方。分割線的寬度和位置都會對諧振縫隙單元3的諧振頻率產(chǎn)生影響，因此分割線寬度應(yīng)盡可能地
細(xì)，并且分割線應(yīng)盡量靠近矩形縫隙中心，因此本發(fā)明在可實(shí)施范圍內(nèi)將分割線的寬度設(shè)計(jì)為O. 127mm,且與邊b連通的分割線靠近第三PIN 二極管與邊b的焊接處，與邊b的焊接處接合；與邊d連通的分割線靠近第四PIN 二極管與邊d的焊接處，與邊d的焊接處接合，由此盡可能的減小分割線對諧振頻率的影響。在兩條分割線兩側(cè)的平面導(dǎo)體板2間通過饋電線串聯(lián)有直流電源DC與電阻R，通過直流電源DC為兩組二極管加載正電壓；電阻R的阻值不小于10兆歐，用來防止在諧振縫隙單元3工作時產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿饋電線流走。。為了使饋電線以及串聯(lián)的直流電源DC與電阻R不影響電廠通過諧振縫隙單元3，因此，本發(fā)明中通過饋電線串聯(lián)直流電源DC與電阻R后，將饋電線兩端由基板I后側(cè)面穿入與平面導(dǎo)體板2相連。在進(jìn)行電場測量時，各個諧振縫隙單元3在四個PIN 二極管未加載正電壓時的諧振頻率均與待測電場諧振頻率相等，使得待測電場可大量通過諧振縫隙單元3，因此可通過下述方式對各個諧振縫隙單元3的諧振頻率進(jìn)行調(diào)整，使其與待測電場的諧振頻率相等I、諧振縫隙單元3的諧振頻率是關(guān)于正方形縫隙長度的函數(shù)，由此減小或增大正方形縫隙的邊長，可使諧振縫隙單元3的諧振頻率提高或降低；II、諧振縫隙單元3的諧振頻率還和貼片與正方形縫隙間距有關(guān)，通過減小或增力口，可使諧振單元的諧振頻率提高或降低。在平面導(dǎo)體板2上橫向與縱向上的各個上述結(jié)構(gòu)的諧振縫隙單元3中心點(diǎn)共線，且各個諧振縫隙單元3的兩個極化方向相同；且由于電場會對各個諧振縫隙單元3周圍產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此相鄰兩個諧振縫隙單元3的距離太近時，會產(chǎn)生互耦，導(dǎo)致測量精度降低，因此本發(fā)明中相鄰兩個諧振縫隙單元3中心點(diǎn)間距為一個波長的長度，由此可降低相鄰單兀間的互稱，提聞測量精度。將本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭設(shè)置在待測電場與接收天線間，使平面導(dǎo)體板2朝向待測電場，由此即可進(jìn)行電場在平面導(dǎo)體板2上各個諧振縫隙單元3處的電場測量，如圖3所示。在進(jìn)行電場測量時，最初通過各個諧振縫隙單元3中的直流電源DC為各個諧振縫隙單元3中的四個PIN 二極管均加載正電壓，使各個諧振縫隙單元3的諧振頻率發(fā)生偏移，由此使所有諧振縫隙單元3均處于關(guān)閉狀態(tài)，此時電場無法通過各個諧振縫隙結(jié)構(gòu)，從而接收天線接收不到任何電場信號。當(dāng)其中的一個諧振縫隙單元3中的直流電源DC停止為四個PIN 二極管加載正電壓時，該諧振縫隙單元3的諧振頻率與待測電場諧振頻率相等，此時該諧振縫隙單元3處于開啟狀態(tài)，其它諧振縫隙單元3仍處于關(guān)閉狀態(tài)，從而電場可由處于開啟狀態(tài)的諧振縫隙單元3通過，被接收天線接收得到處于開啟狀態(tài)的諧振縫隙單元3處的電場信息。由此通過電控的方式將陣列上的每個諧振縫隙單元3逐次逐序開啟，通過接收天線接收各個諧振縫隙單元3處的電場信號，便可得到平面導(dǎo)體板2上每個諧振縫隙單元3處的電場信息。由于PIN 二極管的相應(yīng)時間為納秒級，因此通過電控的方式控制每個縫隙單元中二極管的電壓狀態(tài)的過程可在相當(dāng)短的時間內(nèi)完成，這樣便可在瞬時間內(nèi)得到各個諧振縫隙單元3處的電場信息，使電場測量的速度大大提高。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙極化近場 快速測量探頭進(jìn)行近場探測，設(shè)定待測電場為8GHz，將矩形縫隙邊長設(shè)計(jì)為5. 25mm，貼片的邊長設(shè)計(jì)為2. 35mm，使矩形縫隙結(jié)構(gòu)中四個PIN 二極管未加載正電壓時的諧振頻率與待測電場的諧振頻率相等，仿真結(jié)果如圖4所示，圖中十字線“++”和實(shí)線“一”分別為諧振縫隙單元3中四個PIN 二極管未加載正電壓時Sll (反射系數(shù))與S21(透射系數(shù))曲線，在諧振縫隙單元3的諧振頻率為為8GHz時，Sll較小，S12較高，由此可知電場從諧振縫隙單元3通過，此時諧振縫隙單元3為開啟狀態(tài)。而
虛線“一-”和點(diǎn)劃線“---”和分別為兩個諧振縫隙單元3中四個PIN 二極管加載正電
壓時的Sll與S21曲線，在諧振縫隙單元3的諧振頻率為8GHz時，Sll較高，S21較低，由此可知電場未從諧振縫隙單元3通過，而是在諧振縫隙單元3處進(jìn)行反射，此時諧振縫隙單元3為關(guān)閉狀態(tài)。由此可看出本發(fā)明雙極化電場快速測量探頭該諧振縫隙單元3通過PIN 二極管的正電壓加載與否，可控制控制電場是否通過該諧振縫隙單元3，使得待測電場得到調(diào)制。
權(quán)利要求
1.一種雙極化電場快速測量探頭，包括基板、平面導(dǎo)體板，平面導(dǎo)體板固定于基板前側(cè)面上；其特征在于在平面導(dǎo)體板上設(shè)計(jì)有橫、縱分別為m、n個諧振縫隙單元構(gòu)成的二維陣列諧振矩形縫隙陣列，m^2,n^2； 所述諧振縫隙單元的具體結(jié)構(gòu)為在平面導(dǎo)體板表面切割形成正方形縫隙，正方形縫隙內(nèi)的基板上粘貼固定有正方形的貼片，正方形貼片與正方形縫隙同心，且四條側(cè)邊分別與正方形縫隙的四條側(cè)邊平行；正方形縫隙與正方形貼片間連接有四個PIN 二極管，四個PIN 二極管一端分別與矩形縫隙四條側(cè)邊的中心點(diǎn)相連，另一端分別與貼片四條側(cè)邊的中心點(diǎn)相連；四個PIN 二極管連接后使其中兩個PIN 二極管位于貼片的橫向軸線上，正負(fù)端同向；另兩個PIN 二極管位于貼片的縱向軸線上，正負(fù)端同向；同時四個PIN 二極管中的兩個PIN 二極管的正端需與正方形縫隙的側(cè)邊相連；由此使諧振縫隙單元具有橫向與縱向兩個極化方向； 在導(dǎo)體板上還切割形成兩條分割線，兩條分割線均與貼片橫向軸線或縱向軸線平行，且分別與正方形縫隙相對兩側(cè)邊相交，并與正方形縫隙連通；當(dāng)兩條分割線與貼片橫向軸線平行，且位于貼片橫向軸線上的兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊焊接一端分別為正端或負(fù)端時，則兩條分割線分別位于橫向軸線的下側(cè)與上側(cè)，并分別靠近兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊連接處；當(dāng)兩條分割線與貼片縱向軸線平行，且位于貼片縱向軸線上的兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)邊焊接一端分別為正端或負(fù)端時，則兩條分割線分別位于縱向軸線的右側(cè)與左側(cè)，并分別靠近兩個PIN 二極管與正方形縫隙側(cè)連接處； 在兩條分割線兩側(cè)的平面導(dǎo)體板間通過饋電線串聯(lián)有直流電源DC與電阻R，通過直流電源DC為兩組二極管加載正電壓；電阻R用來防止在諧振縫隙單元工作時產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿饋電線流走。
2.如權(quán)利要求I所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述正方形縫隙與分割線采用腐蝕切割的方法在平面導(dǎo)體板上形成。
3.如權(quán)利要求I所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述電阻R的阻值不小于10兆歐。
4.如權(quán)利要求I所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述基板采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板，相對介電常數(shù)為4. 9,厚度約為O. 5mm,敷銅厚度約為O. 035mm。
5.如權(quán)利要求I所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述PIN二極管為微波開關(guān)二極管，型號為WK0004。
6.如權(quán)利要求I所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述分割線的寬度為 O.127mm。
7.如權(quán)利要求I所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述平面導(dǎo)體板橫向與縱向上各個諧振縫隙單元極化方向相同，且中心點(diǎn)共線。
8.如權(quán)利要求7所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于相鄰兩個諧振縫隙單元中心點(diǎn)間距為一個波長的長度。
9.如權(quán)利要求7所述一種雙極化電場快速測量探頭，其特征在于所述饋電線串聯(lián)直流電源DC與電阻R后，饋電線兩端由基板后側(cè)面穿入與平面導(dǎo)體板相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙極化電場快速測量探頭，涉及了一種加載了PIN二極管的諧振矩形縫隙結(jié)構(gòu)作為探頭的單元結(jié)構(gòu)。在該矩形縫隙結(jié)構(gòu)橫向與縱向兩個方向分別加載PIN開關(guān)二極管，通過控制PIN二極管上的電壓，來控制兩個極化方向的電場能否通過縫隙，從而實(shí)現(xiàn)縫隙的關(guān)閉和開啟兩種狀態(tài)之間的切換。將陣列形式的探頭設(shè)置于待測電場與接收天線之間。通過電控的方式讓陣列上的每個單元逐次逐序開啟，可以得到陣列板平面內(nèi)每個縫隙單元處的電場信息，獲得平面上的電場分布，從而實(shí)現(xiàn)平面電場的快速測量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為可以實(shí)現(xiàn)電場的雙極化快速測量，當(dāng)陣列足夠大時可以實(shí)現(xiàn)電場的實(shí)時測量，從而通過測量得到的電場分布信息推導(dǎo)遠(yuǎn)場分布及任意平面的電場分布。
文檔編號G01R29/14GK102818943SQ201210265078
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者白明, 張露元 申請人:北京航空航天大學(xué)