一种二维全自动电磁场分布测试系统

摘要

一种二维全自动电磁场分布测试系统，属于电磁场实验测试技术领域。该系统包括二维电控平移台、矢量网络分析仪、波导测试系统和控制与数据处理系统，波导测试系统包括发射极子天线、接收极子天线、上金属平板、下金属平板、吸波材料、由上下两块金属平板构成的平行波导测试腔和测试腔开启装置。通过改变接收极子在上金属平板的位置，该系统可实现较大空间范围和电磁波扫描频率的电磁场测量；通过控制接收极子天线在垂直方向运动，可实现不同高度的电磁场测量。本发明能够实现点源和平面波源两种发射模式，并能快速精确全自动扫描测试平行波导测试腔内的电磁场，在实验电磁场测试领域有重要应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维全自动电磁场分布测试系统，属于电磁场实验测试技术领域。

背景技术

一直以来，电磁学在理论实验和实际应用方面的发展在很大程度上受制于电磁场测试技 术的发展。例如在进行超材料的零折射特性的研究中，需要产生较为稳定的典型电磁场分布， 并且较为精确地实现对场内幅值和相角的测量。能够实现这样功能的测试系统，应当具有以 下特性：1）能够对较大范围的平面空间进行测量。2）接收极子天线能够在垂直方向上移动， 使得测试结果可以反映电磁场在垂直方向上的变化。3）测试系统可以实现几种不同的典型电 磁场分布。4）测试系统能够在实验测试及实验数据记录过程中实现较高程度的自动化。

目前国内外已有一些可用于电磁场测量的实验测试平台，但目前其应用仍有一定的局限 性，因为其测试范围较小，且其接收极子天线没有在竖直方向上的运动自由度，使得其极子 所接收到的能量较小，测试效果较差。同时，目前已有的测试平台的上金属平板起升和支撑 装置存在结构复杂，操作不便等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维全自动电磁场分布测试系统，能够较为准确地实现对较 大范围的空间电磁场的二维测量，并且具有使用方便、较高的稳定性和快速性等优点。

本发明的技术方案如下：

一种二维全自动电磁场分布测试系统，包括二维电控平移台、矢量网络分析仪、波导测 试系统、控制与数据处理系统及底板；所述波导测试系统包括发射极子天线、接收极子天线、 上金属平板、下金属平板、吸波材料、由上下两块金属平板构成的平行波导测试腔和测试腔 开启装置；所述发射极子天线安装于下金属平板上，接收极子天线安装于上金属平板的安装 孔中，测试腔开启装置与上金属平板相连，吸波材料位于下金属平板的上表面，下金属平板 安装在二维电控平移台上；发射极子天线以及接收极子天线与矢量网络分析仪通过同轴波导 转换线相连，其特征在于：所述的测试系统还包括接收极子天线高度调节装置，该调节装置 包括舵机和摆杆，在摆杆上开有滑槽，摆杆与舵机输出轴相连，在接收极子天线上安装有销 轴，销轴安装于滑槽中；在上金属平板上沿X方向布置有三个接收极子天线安装孔，接收极 子天线安装在其中一个孔中。

本发明的技术特征还在于：所述测试腔开启装置包括四套开启机构，四套开启机构对称 布置在底板上，每套包括上金属平板支撑架、支撑杆和调节螺母，支撑杆一端通过上金属平 板铰链与上金属平板铰接，另一端通过支撑架铰链与上金属平板支撑架铰连，调整螺母安装 在支撑杆上，上金属平板支撑架固定在底板上；二维电控平移台包括两条平行于X轴的导轨、 X方向丝杠螺母传动机构和Y方向丝杠螺母传动机构，其中X方向丝杠螺母传动机构包括X 向步进电机，X方向丝杠及X方向滑块，Y方向丝杠螺母传动机构包括Y向步进电机、Y方向 丝杠和Y方向滑块；第一导轨以及第二导轨平行安装在底板上，X方向滑块架设在第一条导 轨和第二条导轨之上，并与X方向丝杠形成丝杠传动关系，Y方向滑块、Y方向丝杠以及Y向 步进电机安装在X方向滑块内，Y方向滑块与Y方向丝杠形成丝杠传动关系。

本发明与现有的电磁场测量平台系统相比，具有以下优点及突出性效果：

由于本发明采用了接收极子天线高度调节装置，可以使测试接收能量在较大范围内可调， 从而改进测试效果；通过改变接收极子天线在上金属平板的位置可实现较大范围的电磁场测 量；通过舵机控制接收极子在垂直方向的运动，可实现接收极子所接收的能量可调；能够实 现点源和平面波源两种发射模式，并能快速精确全自动扫描测试平行波导测试腔内的电磁场。

附图说明

图1为二维全自动电磁场分布测试系统结构原理示意图。

图2为上金属平板示意图。

图3为接收极子天线高度调节装置机构简图。

图4为拆去上金属平板后的二维电控平移台的结构示意图。

图5为测试腔闭合时的测试腔开启装置示意图。

图6为测试腔开启时的测试腔开启装置示意图。

图7为开启机构中支撑架和支撑杆连接处的放大图。

图8为测试区域内实现的点源型电磁场分布示意图。

图9为测试区域内实现的平面波型电磁场分布示意图。

图中：1-Y方向滑块；2-X方向滑块；3、4-导轨；5-Y向运动丝杠；6-X向运动丝杠；7- 安装孔；8-舵机；9-接收极子天线；10-上金属平板；11-发射极子天线；12-吸波材料；13- 电磁波波阵面；14-上金属平板支撑架；15-下金属平板；16-Y向步进电机；17-同轴线；18- 调节螺母；19-支撑杆；20-矢量网络分析仪；21-X向步进电机；22-X向定位传感器；23-Y 向定位传感器；24-二维电控平移台；25-平行波导测试腔；26-测试腔开启装置；27-摆杆； 28-销轴；29-上金属平板铰链；30-计算机；31-支撑架铰链；32-底板；40-控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、工作原理和工作过程做进一步的说明。

图1为二维全自动电磁场分布测试系统结构原理示意图，包括二维电控平移台24、矢量 网络分析仪20、波导测试系统、控制与数据处理系统及底板32；所述波导测试系统包括发射 极子天线11、接收极子天线9、上金属平板10、下金属平板15、吸波材料12、由上下两块 金属平板构成的平行波导测试腔25和测试腔开启装置26；所述发射极子天线11安装于下金 属平板15上，接收极子天线9安装于上金属平板10的安装孔7中，测试腔开启装置26与上 金属平板10相连，吸波材料12位于下金属平板15的上表面，下金属平板15安装在二维电 控平移台24上；所述控制与数据处理系统包括同轴波导转换线17、矢量网络分析仪20、计 算机30、控制器40；发射极子天线11以及接收极子天线9通过同轴波导转换线17与矢量网 络分析仪20相连，矢量网络分析仪20通过网线与计算机30相连，计算机30通过USB线与 控制器40相连，控制器40通过电缆与二维电控平移台24中的X向步进电机21以及Y向步 进电机16相连。在系统工作时，首先由计算机30向控制器40发送二维电控平移台移动指令， 控制器40将指令输送至二维电控平移台24中的X向步进电机21以及Y向步进电机16，使 二维电控平移台24移动到需要测试的位置。随后计算机30向矢量网络分析仪20发出测试指 令，矢量网络分析仪20即通过同轴波导转换线17将需要发送的电磁信号输送到发射极子天 线11进行发射，发射的电磁信号经过平行波导测试腔后，由接收极子天线9接收到，随后通 过同轴波导转换线17输送回矢量网络分析仪20，矢量网络分析仪20将接收到的信号输送给 计算机30，即完成了一个点的测试。随后计算机30再次向控制器40发送二维电控平移台移 动指令，进行下一个位置的测试。

图2为上金属平板示意图。上金属平板10由测试腔开启装置26支撑。测试腔开启装置 26包括四套开启机构，四套开启机构对称布置在底板32上，每套包括上金属平板支撑架14、 支撑杆19和调节螺母18，支撑杆19一端通过上金属平板铰链29与上金属平板10铰接，另 一端通过支撑架铰链31与上金属平板支撑架14铰连，调整螺母18安装在支撑杆19上，上 金属平板支撑架14固定在底板32上。在上金属平板10上沿X方向布置有三个接收极子天线 安装孔7，接收极子天线安装在其中一个孔中。将接收极子安装在不同的定位孔中，可以实 现扩大测量范围的功能。

图3为接收极子天线高度调节装置机构简图。该调节装置包括舵机8和摆杆2，在摆杆 27上开有滑槽，摆杆27与舵机8输出轴相连，在接收极子天线9上安装有销轴28，销轴28 安装于滑槽中，接收极子天线9安装在上金属平板10上的安装孔7中。舵机8的输出轴转 动时，带动摆杆2转动，摆杆2带动接收极子天线9进行垂直方向的运动，将舵机的转动变 为了接收极子的垂直方向运动。通过控制舵机的旋转角度可以控制接收极子在垂直方向上运 动的位移，从而控制接收极子的高度。

图4为拆去上金属平板后的二维电控平移台的运动机构简图。二维电控平移台包括两条 平行于X轴的导轨，以及X方向丝杠螺母传动机构和Y方向丝杠螺母传动机构，其中X方向 丝杠螺母传动机构包括X向步进电机21、X方向丝杠(6)及X方向滑块2，Y方向丝杠螺母传 动机构包括Y向步进电机16、Y方向丝杠5和Y方向滑块1；第一导轨3以及第二导轨4平 行安装在底板32上，X方向滑块2架设在第一条导轨3和第二条导轨4之上，并与X方向丝 杠6形成丝杠传动，Y方向滑块1，Y方向丝杠5以及Y向步进电机16安装在X方向滑块2 内，Y方向滑块1与Y方向丝杠5形成丝杠传动。当X方向丝杠6通过X向步进电机21带动 旋转时，X方向滑块2即可在X方向运动；Y方向丝杠5固定于X方向滑块2之上，并且与Y 方向滑块1形成丝杠传动，当Y向步进电机16旋转带动Y方向丝杠5旋转时，Y方向滑块1 即可在Y方向运动；通过Y方向和X方向的两个运动的合成，滑块1即可实现在XY平面内的 任意二维运动。

图5为测试腔闭合时的测试腔开启装置示意图，图6为测试腔开启时的测试腔开启装置 示意图，图7为支撑架铰链部分的放大图。测试腔开启装置26包括四套开启机构，四套开启 机构对称布置在底板32上，每套包括上金属平板支撑架14、支撑杆19和调节螺母18，支撑 杆19一端通过上金属平板铰链29与上金属平板10铰接，另一端通过支撑架铰链31与上金 属平板支撑架14铰连，调整螺母18安装在支撑杆19上，上金属平板支撑架14固定在底板 32上。当需要开启测试腔时，推动上金属平板10，支撑杆19旋转使得上金属平板10升起， 如图6，此时上金属平板10可以通过靠在支撑架14上进行支撑。通过调节螺母18，可以调 节上下金属平板之间的间距，从而调节平行波导的高度和平行度。

图8为测试区域内实现的点源型电磁场分布示意图，图9为测试区域内实现的平面波型 电磁场分布示意图。本系统可以通过极子的不同位置以及吸波材料的放置形成两种典型的电 磁场分布：一是将发射极子11置于下金属平板测试区域中心，吸波材料12呈完整的圆周放 置，电磁波将形成圆形波阵面从中心出射，即可形成电源型电磁场分布，如图8所示；二是 将发射极子置于波导内，使其先在波导内行进一段距离，随后进入圆形区域内。由于波导的 作用，使得电磁波在从波导口出射时不再是圆形的波阵面，而形成了平行波阵面，从而形成 了平面波型电磁场分布，如图9所示。这两种典型的电磁场分布在实验测试时都有较多的应 用。