CN102818943A - 一种双极化电场快速测量探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极化电场快速测量探头，涉及了一种加载了PIN二极管的谐振矩形缝隙结构作为探头的单元结构。在该矩形缝隙结构横向与纵向两个方向分别加载PIN开关二极管，通过控制PIN二极管上的电压，来控制两个极化方向的电场能否通过缝隙，从而实现缝隙的关闭和开启两种状态之间的切换。将阵列形式的探头设置于待测电场与接收天线之间。通过电控的方式让阵列上的每个单元逐次逐序开启，可以得到阵列板平面内每个缝隙单元处的电场信息，获得平面上的电场分布，从而实现平面电场的快速测量。本发明的优点为：可以实现电场的双极化快速测量，当阵列足够大时可以实现电场的实时测量，从而通过测量得到的电场分布信息推导远场分布及任意平面的电场分布。

Description

一种双极化电场快速测量探头

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种天线电场测量技术，具体来说，是一种可以实现电场的双极化快速测量的探头，可针对某特定频率的电磁波在某电场平面进行实时的双极化电场测量。

背景技术

传统的天线近场测量***用单探头做机械扫描时耗费大量的时间，天线测量的速度成为制约了天线学科的发展的因素。

利用调制散射技术可以实现空间上的电场多路测量，还能够提高测量精度。但传统的调制散射技术使用加载二极管的偶极子天线作为天线测量的探头，这种探头的工作频率较低，而且若以加载二极管的偶极子天线为单元制成二维阵列模式，单元偶极子之间的互耦会降低***的灵敏度。目前存在一种以椭圆谐振缝隙天线作为单元的二维阵列探头，通过电控的方式控制每个单元天线的开关，这种探头可以非常快速地测量某平面的电场。但这种以椭圆谐振缝隙天线作为单元的二维阵列探头只能测量一种极化方向的电场分布。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种双极化电场快速测量探头，采用一种矩形谐振缝隙作为单元的二维阵列探头，实现电场的双极化的快速测量，获取足够的电场信息，从而通过电场分布信息推导远场分布及任意平面的电场分布。

本发明双极化电场快速测量探头，包括基板、平面导体板，平面导体板固定于基板上；在平面导体板上设计有横、纵分别为m、n个谐振缝隙单元构成的二维阵列谐振矩形缝隙阵列，m≥2、n≥2。

所述谐振缝隙单元的具体结构为：在平面导体板表面切割形成正方形缝隙，正方形缝隙内的基板上粘贴固定有正方形的贴片，正方形贴片与正方形缝隙同心，且四条侧边分别与正方形缝隙的四条侧边平行。正方形缝隙与正方形贴片间连接有四个PIN二极管，四个PIN二极管一端分别与矩形缝隙四条侧边的中心点连接，另一端分别与贴片四条侧边的中心点连接；四个PIN二极管连接后需保证：其中两个PIN二极管位于贴片的横向轴线上，正负端同向；另两个PIN二极管位于贴片的纵向轴线上，正负端同向；同时四个PIN二极管中的两个PIN二极管的正端与正方形缝隙的侧边相连，此时，两个相邻的PIN二极管与正方形缝隙焊接一端必为正端，另两个相邻的PIN二极管与正方形缝隙焊接一端必为负端。由此使谐振缝隙单元具有横向与纵向两个极化方向。

在导体板上还切割形成两条分割线，两条分割线均与贴片横向轴线或纵向轴线平行，且分别与正方形缝隙相对两侧边相交，并与正方形缝隙连通。当两条分割线与贴片横向轴线平行，且位于贴片横向轴线上的两个PIN二极管与正方形缝隙侧边焊接一端分别为正端或负端时，则两条分割线分别位于横向轴线的下侧与上侧，并分别靠近两个PIN二极管与正方形缝隙侧边焊接处。同理，当两条分割线与贴片纵向轴线平行，且位于贴片纵向轴线上的两个PIN二极管与正方形缝隙侧边焊接一端分别为正端或负端时，则两条分割线分别位于纵向轴线的右侧与左侧，并分别靠近两个PIN二极管与正方形缝隙侧边焊接处。

在两条分割线两侧的平面导体板间通过馈电线串联有直流电源DC与电阻R，通过直流电源DC为两组二极管加载正电压；电阻R的阻值不小于10兆欧，用来防止在谐振缝隙单元工作时产生的感应电流沿馈电线流走。

在平面导体板上横向与纵向上的各个上述结构的谐振缝隙单元中心点共线，且各个谐振缝隙单元的两个极化方向相同，由此构成了本发明双极化电场快速测量探头。将本发明双极化电场快速测量探头设置在待测电场与接收天线间，使平面导体板朝向待测电场，由此通过电控的方式将阵列上的每个谐振缝隙单元逐次逐序开启，通过接收天线接收各个谐振缝隙单元处的电场信号，便可得到平面导体板上每个谐振缝隙单元处的电场信息。

本发明的优点在于：

1、本发明双极化电场快速测量探头，可以实现电场的双极化快速测量，阵列足够大时可以实现电场的实时测量，从而通过电场分布信息推导远场分布及任意平面的电场分布；

2、本发明双极化电场快速测量探头结构简单，易于加工，成本较低，便于实现。

附图说明

图1为本发明双极化电场快速测量探头整体结构示意图；

图2为本发明双极化电场快速测量探头中谐振缝隙单元结构示意图；

图3为应用本发明双极化电场快速测量探头进行电场测量示意图

图4为应用本发明双极化电场快速测量探头单个单元的散射参数的频率响应仿真结果图。

图中：

1-基板    2-导体板    3-谐振缝隙单元

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步说明。

本发明双极化电场快速测量探头，如图1所示，包括基板1与固定在基板1前侧面上的平面导体板2；基板1采用FR-4敷铜板，即玻璃纤维环氧树脂覆铜板，相对介电常数为4.9，厚度约为0.5mm，敷铜厚度约为0.035mm。在平面导体板2上设计有横、纵分别为m、n个谐振缝隙单元3构成的二维阵列谐振矩形缝隙阵列，m≥2、n≥2，如图1所示。

所述谐振缝隙单元3的具体结构为：在平面导体板2表面采用腐蚀切割方式形成的正方形缝隙，令正方形缝隙四条侧边分别为a、b、c、d，其中，边a、c分别为上下侧边，边b、d分别为左右侧边，在正方形缝隙内的基板1上粘贴固定有正方形的贴片，贴片与正方形缝隙同心，且贴片的材料与厚度均与平面导体板2相同；令贴片的四条侧边分别为a’、b’、c’、d’，分别与正方形缝隙四条侧边a、b、c、d平行。

在正方形缝隙与贴片间连接有四个PIN二极管，令四个PIN二极管分别为第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管。其中，第一PIN二极管与第三PIN二极管位于中心贴片纵向轴线上，第一PIN二极管的正端、负端分别与边a、边a’中心处焊接定位，第三PIN二极管的正端、负端分别与边c’、边c的中心点焊接定位；第三PIN二极管与第四PIN二极管位于中心贴片横向轴线上，第三PIN二极管的正端、负端分别与边b、边b’的中心点焊接定位；第四PIN二极管的正端、负端分别与边d’、边d的中心点焊接定位。由此通过上述四个PIN二极管的连接方式，使得谐振缝隙单元3横向与纵向两个极化方向的电场在适当的频率下均能通过谐振缝隙单元3，实现双极化电场测量。本发明中PIN二极管可选用型号WK0004的微波开关二极管，由此可以实现对微波功率的传输和反射。

为了给四个PIN二极管加载电压，需要分割正方形缝隙***，因此本发明在正方形缝隙***的平面导体板2上采用腐蚀切割方式形成的两条分割线，两条分割线与贴片的横向轴线平行，且分别与正方形缝隙的边b、d相交并与正方形缝隙内部连通。其中，与边b连通的分割线位于贴片横向轴线下方；与边d连通的分割线位于贴片横向轴线上方。分割线的宽度和位置都会对谐振缝隙单元3的谐振频率产生影响，因此分割线宽度应尽可能地细，并且分割线应尽量靠近矩形缝隙中心，因此本发明在可实施范围内将分割线的宽度设计为0.127mm，且与边b连通的分割线靠近第三PIN二极管与边b的焊接处，与边b的焊接处接合；与边d连通的分割线靠近第四PIN二极管与边d的焊接处，与边d的焊接处接合，由此尽可能的减小分割线对谐振频率的影响。

在两条分割线两侧的平面导体板2间通过馈电线串联有直流电源DC与电阻R，通过直流电源DC为两组二极管加载正电压；电阻R的阻值不小于10兆欧，用来防止在谐振缝隙单元3工作时产生的感应电流沿馈电线流走。。为了使馈电线以及串联的直流电源DC与电阻R不影响电厂通过谐振缝隙单元3，因此，本发明中通过馈电线串联直流电源DC与电阻R后，将馈电线两端由基板1后侧面穿入与平面导体板2相连。

在进行电场测量时，各个谐振缝隙单元3在四个PIN二极管未加载正电压时的谐振频率均与待测电场谐振频率相等，使得待测电场可大量通过谐振缝隙单元3，因此可通过下述方式对各个谐振缝隙单元3的谐振频率进行调整，使其与待测电场的谐振频率相等：

Ⅰ、谐振缝隙单元3的谐振频率是关于正方形缝隙长度的函数，由此减小或增大正方形缝隙的边长，可使谐振缝隙单元3的谐振频率提高或降低；

Ⅱ、谐振缝隙单元3的谐振频率还和贴片与正方形缝隙间距有关，通过减小或增加，可使谐振单元的谐振频率提高或降低。

在平面导体板2上横向与纵向上的各个上述结构的谐振缝隙单元3中心点共线，且各个谐振缝隙单元3的两个极化方向相同；且由于电场会对各个谐振缝隙单元3周围产生感应电流，因此相邻两个谐振缝隙单元3的距离太近时，会产生互耦，导致测量精度降低，因此本发明中相邻两个谐振缝隙单元3中心点间距为一个波长的长度，由此可降低相邻单元间的互耦，提高测量精度。

将本发明双极化电场快速测量探头设置在待测电场与接收天线间，使平面导体板2朝向待测电场，由此即可进行电场在平面导体板2上各个谐振缝隙单元3处的电场测量，如图3所示。在进行电场测量时，最初通过各个谐振缝隙单元3中的直流电源DC为各个谐振缝隙单元3中的四个PIN二极管均加载正电压，使各个谐振缝隙单元3的谐振频率发生偏移，由此使所有谐振缝隙单元3均处于关闭状态，此时电场无法通过各个谐振缝隙结构，从而接收天线接收不到任何电场信号。当其中的一个谐振缝隙单元3中的直流电源DC停止为四个PIN二极管加载正电压时，该谐振缝隙单元3的谐振频率与待测电场谐振频率相等，此时该谐振缝隙单元3处于开启状态，其它谐振缝隙单元3仍处于关闭状态，从而电场可由处于开启状态的谐振缝隙单元3通过，被接收天线接收得到处于开启状态的谐振缝隙单元3处的电场信息。

由此通过电控的方式将阵列上的每个谐振缝隙单元3逐次逐序开启，通过接收天线接收各个谐振缝隙单元3处的电场信号，便可得到平面导体板2上每个谐振缝隙单元3处的电场信息。由于PIN二极管的相应时间为纳秒级，因此通过电控的方式控制每个缝隙单元中二极管的电压状态的过程可在相当短的时间内完成，这样便可在瞬时间内得到各个谐振缝隙单元3处的电场信息，使电场测量的速度大大提高。

采用本发明设计的双极化近场快速测量探头进行近场探测，设定待测电场为8GHz，将矩形缝隙边长设计为5.25mm，贴片的边长设计为2.35mm，使矩形缝隙结构中四个PIN二极管未加载正电压时的谐振频率与待测电场的谐振频率相等，仿真结果如图4所示，图中十字线“++”和实线“—”分别为谐振缝隙单元3中四个PIN二极管未加载正电压时S11（反射系数)与S21(透射系数)曲线，在谐振缝隙单元3的谐振频率为为8GHz时，S11较小，S12较高，由此可知电场从谐振缝隙单元3通过，此时谐振缝隙单元3为开启状态。而虚线“---”和点划线“—·—”和分别为两个谐振缝隙单元3中四个PIN二极管加载正电压时的S11与S21曲线，在谐振缝隙单元3的谐振频率为8GHz时，S11较高，S21较低，由此可知电场未从谐振缝隙单元3通过，而是在谐振缝隙单元3处进行反射，此时谐振缝隙单元3为关闭状态。由此可看出本发明双极化电场快速测量探头该谐振缝隙单元3通过PIN二极管的正电压加载与否，可控制控制电场是否通过该谐振缝隙单元3，使得待测电场得到调制。

Claims (9)

1.一种双极化电场快速测量探头，包括基板、平面导体板，平面导体板固定于基板前侧面上；其特征在于：在平面导体板上设计有横、纵分别为m、n个谐振缝隙单元构成的二维阵列谐振矩形缝隙阵列，m≥2、n≥2；

所述谐振缝隙单元的具体结构为：在平面导体板表面切割形成正方形缝隙，正方形缝隙内的基板上粘贴固定有正方形的贴片，正方形贴片与正方形缝隙同心，且四条侧边分别与正方形缝隙的四条侧边平行；正方形缝隙与正方形贴片间连接有四个PIN二极管，四个PIN二极管一端分别与矩形缝隙四条侧边的中心点相连，另一端分别与贴片四条侧边的中心点相连；四个PIN二极管连接后使其中两个PIN二极管位于贴片的横向轴线上，正负端同向；另两个PIN二极管位于贴片的纵向轴线上，正负端同向；同时四个PIN二极管中的两个PIN二极管的正端需与正方形缝隙的侧边相连；由此使谐振缝隙单元具有横向与纵向两个极化方向；

在导体板上还切割形成两条分割线，两条分割线均与贴片横向轴线或纵向轴线平行，且分别与正方形缝隙相对两侧边相交，并与正方形缝隙连通；当两条分割线与贴片横向轴线平行，且位于贴片横向轴线上的两个PIN二极管与正方形缝隙侧边焊接一端分别为正端或负端时，则两条分割线分别位于横向轴线的下侧与上侧，并分别靠近两个PIN二极管与正方形缝隙侧边连接处；当两条分割线与贴片纵向轴线平行，且位于贴片纵向轴线上的两个PIN二极管与正方形缝隙侧边焊接一端分别为正端或负端时，则两条分割线分别位于纵向轴线的右侧与左侧，并分别靠近两个PIN二极管与正方形缝隙侧连接处；

在两条分割线两侧的平面导体板间通过馈电线串联有直流电源DC与电阻R，通过直流电源DC为两组二极管加载正电压；电阻R用来防止在谐振缝隙单元工作时产生的感应电流沿馈电线流走。

2.如权利要求1所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述正方形缝隙与分割线采用腐蚀切割的方法在平面导体板上形成。

3.如权利要求1所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述电阻R的阻值不小于10兆欧。

4.如权利要求1所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述基板采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板，相对介电常数为4.9，厚度约为0.5mm，敷铜厚度约为0.035mm。

5.如权利要求1所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述PIN二极管为微波开关二极管，型号为WK0004。

6.如权利要求1所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述分割线的宽度为0.127mm。

7.如权利要求1所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述平面导体板横向与纵向上各个谐振缝隙单元极化方向相同，且中心点共线。

8.如权利要求7所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：相邻两个谐振缝隙单元中心点间距为一个波长的长度。

9.如权利要求7所述一种双极化电场快速测量探头，其特征在于：所述馈电线串联直流电源DC与电阻R后，馈电线两端由基板后侧面穿入与平面导体板相连。

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