一种采用平面扫描的多频段自由空间测试系统及方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及对待测材料的介电常数测量时，一种可增加对待测材料的电磁参数精准度的自动校准焦距的多频段自由空间测试系统及测试方法。


背景技术：

2.随着微波技术的不断发展，微波介质材料已经被广泛应用到微波通信、雷达导航等多个领域。针对不同领域的应用，介质材料电磁参数起到了指导性的作用。而能实现对待测材料的电磁参数的精准测量，通常采用自由空间法对其测量，自由空间法是一种开场电磁特性参数测试技术，属于传输/反射法的一种。此方法最早由cullen a l利用菲涅尔公式推出的自由空间测量材料电磁参数理引出。自由空间法对样品的要求较低，只需足够大的一块双面平行的平板，原因在于可以减小外界环境的绕射及其表面不平滑带来的漫反射。
3.现有技术中的自由空间测量系统，由于其自由空间法是开场域测试，外界对测试结果准确度的影响比较大。并且其每个装置之间的焦距固定，测量时需要人工去调试不同的距离时的焦距，浪费时间的同时测量精准不稳定，并且测试系统不同器件间的间距较小，因此不可避免将会产生不需要的反射及其衍射现象。这些会对测试结果产生较大的影响。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中提出的技术缺陷，本发明的目的是提供一种自动校准焦距的多频段自由空间测试系统及方法，该系统能够自动校准焦距，实现对焦平面的自动标定，具有高精度、高自动化等优点；同时通过以较小的频率间隔测试一次的方法，对待测材料进行多频段的测试数据的获取，有效提高材料性能的测试精度，其原理简单，技术也逐渐成熟，有着广阔的应用前景。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用平面扫描的多频段自由空间测试系统，包括底座，所述底座沿水平方向上平行设置有一组自动滑轨，所述自动滑轨上滑动连接有移动平台，所述移动平台的顶端安装有激光距离传感器；待测试材料支架，所述待测试材料支架固定安装于底座上，所述待测试材料支架上安装有待测样品，所述待测试材料支架上连接有呈l形样品夹具，且所述样品夹具上相隔一定的距离设置有多个安装孔位，所述待测样品通过安装孔位与所述待测试材料支架固定连接；一对光斑聚焦透镜天线，所述光斑聚焦透镜天线与所述激光距离传感器平行设置，且所述光斑聚焦透镜天线位于所述待测试材料支架的两侧，所述光斑聚焦透镜天线与所述移动平台之间连接有可伸缩天线支撑杆，所述光斑聚焦透镜天线通过所述移动平台连接于所述自动滑轨上；控制系统，所述控制系统包括矢量网络分析仪和控制计算机，所述矢量网络分析仪与所述控制计算机电性连接，所述矢量网络分析仪与所述控制计算机通过传输线与所述光斑聚焦透镜天线相连接。
6.优选的，所述底座的两端连接有伺服电机，所述伺服电机输出轴之间联动连接有
丝杠，所述丝杠上套设有导向块，所述伺服电机与所述丝杠之间设置有联轴器。
7.优选的，所述待测试材料支架包括导轨和固定支架，所述导轨固定安装于底座的中间处，所述导轨与所述固定支架相互垂直设置，且所述固定支架与所述导轨滑动连接。
8.优选的，所述固定支架上的一侧设置有调节器，所述调节器上安装有旋转旋钮，所述样品夹具与所述调节器固定连接，所述样品夹具可沿所述待测试材料支架上进行上下左右移动。
9.优选的，所述光斑聚焦透镜天线包括发射天线和接收天线，所述发射天线、接收天线和待测样品的中心沿底座从左到右同轴排布。
10.优选的，所述矢量网络分析仪上设有两个端口，所述两个端口包括输入端接口和输出端接口，所述输入端接口与所述发射天线相连接，所述输出端接口与所述接收天线相接。
11.优选的，所述控制计算机与所述伺服电机连接，用于控制所述移动平台在所述自动滑轨上移动的距离。
12.一种采用平面扫描的多频段自由空间测试系统的测试方法，所述该方法包括以下步骤：s1、将发射天线和接收天线分别安装在待测试材料支架的两侧，并通过伺服电机调节发射天线和接收天线在自动滑轨上的位置，使发射天线和接收天线的焦平面重合，并使得待测样品位于重合的焦平面处；s2、先通过激光距离传感器获取目前光斑聚焦透镜天线与待测样品之间的距离，并将获取的数据反馈到控制计算机内，利用焦斑计算公式中的算法，计算出各频率所对应较好的聚焦效果的焦距，方便进行初始的校准；s3、再通过自动滑轨，将光斑聚焦透镜天线移动到正确的位置上，此后每改变一次测试频率，都通过自动滑轨调整每更改一次频率所对应的光斑聚焦透镜天线与待测样品之间的距离，并重复以上计算步骤，直至测试结束；s4、将此待测样品的测试介电常数数值嵌入到平面5*5区域的分布中，通过控制计算机算法剔除出材料中小区域范围内与整体大部分区域数值的误差项，再将所有数值求平均值；s5、光斑聚焦透镜天线与待测样品的距离不大于待测频段波长的四分之一，随后通过控制计算机判断目前的r/d是否小于 d/4λ，若r/d不是小于 d/4λ，则通过算法计算获得正确的焦距r，再利用自由空间法的反演算法即得到待测材料的介电常数（其中，r是焦距，d是光斑聚焦透镜天线的口径，λ是测试频率）。
13.优选的，所述步骤s3中的测试方法采用多频段的测试方法，所述多频段的测试方法是以较小的频率间隔测试一次的方法，对所述待测材料进行多频段的测试数据的获取。
14.综上所述，本发明的有益效果为:1、本发明可实现在运用自由空间测量法的基础上，通过天线对待测复合材料平板进行平面扫描式测量，得到各频段的矩形点阵式的介电常数、磁导率，然后消除误差项求平均值，从而提升自由空间法测量的精准度。
15.2、本发明以较小的频率间隔测试一次的方法，通过激光距离传感器获取的数据嵌入到算法中计算出各频率所对应的较好的聚焦效果的焦距，再通过自动滑轨调整每更改一
次频率所对应的光斑聚焦透镜天线与待测材料之间的距离，实现焦平面的自动标定，可以有效提高材料性能的测试精度，同时通过完全自动化简化自由空间测试方法。
附图说明
16.图1是本发明采用平面扫描的多频段自由空间测试系统的结构示意图；图2是本发明采用平面扫描的多频段自由空间测试系统的前视图；图3是本发明采用平面扫描的多频段自由空间测试系统的俯视图；图4是本发明点阵式扫描路径图；图5是本发明测量结果的 5
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5 区域分布图。
17.图中的附图标记说明：1、底座；11、自动滑轨；12、移动平台；13、激光距离传感器；14、伺服电机；15、丝杠；16、导向块；17、联轴器；2、待测试材料支架；21、待测样品；22、样品夹具；221、安装孔位；23、导轨；24、固定支架；25、调节器；251、旋转旋钮；3、光斑聚焦透镜天线；31、天线支撑杆；32、发射天线；33、接收天线；4、控制系统；41、矢量网络分析仪；411、输入端接口；412、输出端接口；42、控制计算机。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
20.一种采用平面扫描的多频段自由空间测试系统，如图1至图3所示，包括底座1、安装在底座1上的待测试材料支架2、位于待测试材料支架2两侧的一对光斑聚焦透镜天线3以及控制系统4，所述底座1沿水平方向上平行设置有一组自动滑轨11，所述自动滑轨11上滑动连接有移动平台12，所述移动平台12的顶端安装有激光距离传感器13；所述底座1的两端连接有伺服电机14，所述伺服电机14输出轴之间联动连接有丝杠15，所述丝杠15上套设有导向块16，所述伺服电机14与丝杠15之间设置有联轴器17。
21.具体的，在本实施例中采用丝杠15传动原理来控制移动平台12之间的距离，从而达到调焦的目的，而处除了实用丝杠15传动外，还可以采用其他的传动方式，如皮带传动、齿轮传动、链条传动等，底座1顶端的两侧为自动滑轨11，移动平台12通过导向块16在伺服电机14的控制下，沿自动滑轨11左右滑动，而在移动平台12上的激光距离传感器13能够快速精准定位移动平台12与待测试材料支架2之间的距离，从而自动调整好每次测量时的焦距。
22.在本实施例中，所述待测试材料支架2固定安装于底座1上，所述待测试材料支架2
上安装有待测样品21，所述待测试材料支架2上连接有呈l形样品夹具22，且所述样品夹具22上相隔一定的距离设置有多个安装孔位221，所述待测样品21通过安装孔位221与所述待测试材料2支架固定连接；待测试材料支架2与底座1之间连接有固定座，通过固定座使得待测试材料支架2固定安装于底座1的中间处，所述待测试材料支架2，包括导轨23和固定支架24，所述导轨23固定安装于底座1的中间处，所述导轨23与所述固定支架24相互垂直设置，且所述固定支架24与所述导轨23滑动连接。
23.具体的，待测试材料支架2用于固定好待测样品21，并使其能够与光斑聚焦透镜天线3的焦平面重合，并使得待测样品21位于重合的焦平面处，待测样品21可通过样品夹具22活动安装在固定支架24上，并且样品夹具22呈l形结构便于安装不用尺寸规格的待测样品21，在样品夹具22上开设多个安装孔位221，其能够与待测样品21通过螺栓进行固定，防止待测样品21发生移动，使其稳固在样品夹具22上，而在固定支架24上设置的调节器25能够根据光斑聚焦透镜天线中心点的位置，利用调节器25上的旋转旋钮251进行调整样品夹具22的高度，使得待测样品21始终与光斑聚焦透镜天线3中心点处在同一水平线上；另外，固定支架24的底端与导轨23滑动连接，从而让整个固定支架24携带待测样品21前后滑动，进而方便于在更换不同的待测样品21时，能够快速精准定位中心点。
24.在本实施例中，所述光斑聚焦透镜天线3采用3d打印一体化成型，所述光斑聚焦透镜天线3位于所述待测试材料支架2的两侧，且所述光斑聚焦透镜天线3与移动平台12之间连接有可伸缩天线支撑杆31，所述光斑聚焦透镜天线3通过移动平台12连接于自动滑轨11上；所述光斑聚焦透镜天线3包括发射天线32和接收天线33，所述发射天线32、接收天线33和待测样品21的中心沿底座1从左到右同轴排布。
25.具体的，透镜按照光束聚焦方法可分为反射式和透射式两种聚焦透镜，抛物反射镜应把激光束聚焦到光束的衍射极限，衍射极限是对特定激光束直径和模式质量所能达到的最小焦斑。而在发射天线32与接收天线33的末端设置的可伸缩天线支撑杆31能够调整发射天线32和接收天线33中心点的位置，使其焦平面与待测样品21相重合，从而方便进行校准，达到较好的聚焦效果。
26.本实施例中的光斑聚焦透镜天线3分为发射天线32和接收天线33，发射天线32是无线通信设备重要组成部分，其与控制系统4相连接，通过矢量网络分析仪41产生的已调制的高频振荡电流（能量）经馈电设备输入发射天线32（馈电设备可随频率和形式不同，直接传输电流波或电磁波），发射天线32将高频电流或导波（能量）转变为无线电波—自由电磁波（能量）向周围空间辐射，而接收天线33则接收来自发射天线32发射的能量并将其传送回控制系统4中，利用控制计算机42对待测样品21的电磁量进行分析，同时利用自由空间法计算出待测试材料的介电常数。
27.在本实施例中，所述控制系统4包括矢量网络分析仪41和控制计算机42，所述矢量网络分析仪41与控制计算机42电性连接，所述矢量网络分析仪41与所述控制计算机42通过传输线与所述光斑聚焦透镜天线3相连接；所述矢量网络分析仪41上设有两个端口，所述两个端口包括输入端接口411和输出端接口412，所述输入端接口411与所述发射天线32相连接，所述输出端接口412与所述接收天线33相接。所述控制计算机42与所述伺服电机14连接，用于控制所述移动平台12在所述自动滑轨11上移动的距离。
28.具体的，矢量网络分析仪41是一种电磁波能量的测试设备，它既能测量单端口网
络或两端口网络的各种参数幅值，又能测相位，矢量网络分析仪41能用史密斯圆图显示测试数据，在本实施例中的矢量网络分析仪41上的输入端接口411和输出端接口412分别与发射天线32、接收天线33连接，在测量待测样品21的测试数值后，利用矢量网络分析仪41将其转化为仿真曲线，并传递到计算机内进行计算，得出每次焦距下的测试频率，并重复调整好光斑聚焦透镜天线3与待测样品21在不同焦距下的测试频率，以此将全部数值通过控制计算机42运算后得出介电常数。
29.一种采用平面扫描的多频段自由空间测试系统的测试方法，所述该方法包括以下步骤：s1、将发射天线32和接收天线33分别安装在待测试材料支架2的两侧，并通过伺服电机14调节发射天线32和接收天线33在自动滑轨11上的位置，使发射天线32和接收天线33的焦平面重合，并使得待测样品21位于重合的焦平面处；s2、先通过激光距离传感器13获取目前光斑聚焦透镜天线3与待测样品21之间的距离，并将获取的数据反馈到控制计算机42内，利用焦斑计算公式中的算法，计算出各频率所对应较好的聚焦效果的焦距，方便进行初始的校准；s3、再通过自动滑轨11，将光斑聚焦透镜天线3移动到正确的位置上，此后每改变一次测试频率，都通过自动滑轨11调整每更改一次频率所对应的光斑聚焦透镜天线3与待测样品21之间的距离，并重复以上计算步骤，直至测试结束；s4、将此待测样品21的测试介电常数数值嵌入到平面5*5区域的分布中，通过控制计算机42算法剔除出材料中小区域范围内与整体大部分区域数值的误差项，再将所有数值求平均值；s5、光斑聚焦透镜天线3与待测样品21的距离不大于待测频段波长的四分之一，随后通过控制计算机42判断目前的r/d是否小于 d/4λ，若r/d不是小于 d/4λ，则通过算法计算获得正确的焦距r，再利用自由空间法的反演算法即得到待测材料的介电常数（其中，r是焦距，d是光斑聚焦透镜天线3的口径，λ是测试频率）。
30.所述步骤s3中的测试方法采用多频段的测试方法，所述多频段的测试方法是以较小的频率间隔测试一次的方法，对所述待测材料进行多频段的测试数据的获取。
31.如图4、5所示，在测量介电常数时，利用待测样品21的测试介电常数数值嵌入到平面5*5区域的分布中，通过计算机控制器将误差值较大的数值去除，误差值的判断依据时结合全部平面内的数值，与大部分数据差别较大的数值即为误差值，然后计算出剩余数值的平均值，结合自由空间法的反演算法即可得出待测样品21的介电常数。
32.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。