测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置和测量方法

摘要

本发明公开了测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置，属于微波测量技术领域，在圆形导轨上间距设置发射天线、第一接收天线和第二接收天线，在第一接收天线和第二接收天线之间设置待测电磁吸波器件或金属平板；在待测电磁吸波器件或金属平板外沿设置吸波材料；本发明的装置在测量电磁吸波器件其反射、透射性能时，通过分别测量空测条件下，放置电磁吸波器件条件下以及放置与吸波器件相同大小，相同位置的金属平板条件下的反射、透射系数，进行合理而简洁的数据处理，大幅度减小系统误差对测量结果的影响；本发明的测量方法相比于一般的弓形测试方法，对导轨的半径以及待测电磁吸波器件样品的尺寸要求降低，具有更广泛的适用性。

说明书

技术领域

本发明属于微波测量技术领域，具体涉及测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置和测量方法。

背景技术

基于人工电磁材料的吸波器自提出以来，由于其潜在的应用前景引起了国内外许多学者地重视，并取得了一些研究成果。基于人工电磁材料的吸波器，通常由印制于单层或多层介质基板上的周期性导电图案、介质基板层和金属底板构成。为了验证基于人工电磁材料的吸波器的吸波性能，需要对其进行测量。对于电磁吸波器通常的测试方法分为两种：波导法、弓形法。波导法是将待测吸波器置于两波导中间，两波导用法兰相连，并分别接网络分析仪的两个端口，通过测试反射系数和传输系数来测试电磁吸波器的吸波性能，但该方法只能测试电磁波垂直入射下的情况。另一种测试方法是弓形法，将吸性能波器放置于半圆形导轨的中心，发射天线及接收天线安装于半圆形导轨上，通过改变发射天线及接收天线在导轨上的位置，测试不同入射角度下的待测吸波器件的吸波性能，但该方法具有以下局限性：

1)要求待测物具有一定的测试面积，以减小边缘效应给测试带来的误差，根据中华人民共和国国家军用标准，在测试中一般标准板取正方形，其边长大5倍波长，小于15倍波长，然而某些新型材料(如石墨烯)受生长工艺的约束，其尺寸难以达到该要求，制约了弓形法的应用；

2)要求收发天线距离满足r>2D²/λ，以满足远场条件，减小近场耦合对测量带来的影响，其中D为天线口径，λ为天线工作波长；实际情况中，对于已经制备好的导轨，这种限制使得某些频段的透反射测量受到限制，给实验带来不便。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置，通过分别测量空测条件下，放置电磁吸波器件条件下以及放置与吸波器件相同大小，相同位置的金属平板条件下的反射、透射系数，进行合理而简洁的数据处理，大幅度减小系统误差对测量结果的影响；本发明还公开了该装置的测量方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置，包括圆形导轨、发射天线、第一接收天线和第二接收天线，在圆形导轨上间距设置发射天线、第一接收天线和第二接收天线，在用于接收反射波束的第一接收天线和用于接收透射波束的第二接收天线之间设置待测电磁吸波器件或金属平板；在所述的待测电磁吸波器件或金属平板外沿设置用于减小电磁绕射影响的吸波材料。

所述的待测电磁吸波器件和金属平板大小相同，且摆放位置一致。

所述的待测电磁吸波器件的大小无需满足远场条件。

所述的圆形导轨的半径无需满足远场条件。

所述的测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置的测量方法，包括如下步骤：

1)反射系数的测量

在空测条件下，第一接收天线会接收到来自发射天线的杂散耦合信号，使得测得的反射参数S11不为零，该杂散耦合信号7在测试待测电磁吸波器件时依然会出现，记此时测得的反射系数为S11_空；

将与待测电磁吸波器件相同大小的金属平板放置在测试台上，此时第一接收天线收到的信号包括由金属平板反射回来的信号以及直接来自发射天线的杂散耦合信号，记此时测得的反射参数为S11_地，用S11_地-S11_空表示仅由金属平板反射贡献的反射系数，以S11_地-S11_空作为反射系数归一化的单位1；

待测电磁吸波器件放置在测试台上，保持与金属平板位置相同，此时第一接收天线收到的信号包括由待测电磁吸波器件反射回来的信号以及直接来自发射天线的杂散耦合信号，记此时测得的反射参数为S11_测，用S11_测-S11_空表示仅由待测电磁吸波器件反射贡献的反射系数，归一化的反射系数记为：

S11_归＝(S11_地-S11_空)/(S11_地-S11_空)；

2)透射系数的测量

在空测条件下，第二接收天线收到的信号包括来自发射天线的直射波束以及绕射波束，此绕射信号在测量待测电磁吸波器件的透射系数时依然会出现，记此时测得的透射系数为S21_空；

将与待测电磁吸波器件相同大小的金属平板放置在测试台上，此时第二接收天线会接受到来自发射天线的绕射波束，使得测得的透射系数不为零，记此时测得的透射系数为S21_地，用S21_空-S21_地表示仅由发射天线直射到第二接收天线的波束贡献的的透射系数，作为透射系数归一化的单位1；

待测电磁吸波器件放置在测试台上保持与金属平板位置相同，此时第二接收天线收到的信号包括透过以及绕射过待测电磁吸波器件的信号，记此时测得透射系数为S21_测，用S21_测-S21_地表示仅由透过吸波器件的波束贡献的透射系数，归一化的透射系数记为：

S21_归＝(S21_测-S21_地)/(S21_空-S21_地)；

3)待测电磁吸波器件吸收率的计算

待测电磁吸波器件吸收率表示为：

A＝1-∣S11_归∣²-∣S21_归∣²。

有益效果：与现有技术相比，本发明的测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置包括圆形导轨、发射天线(通常为喇叭天线)、接收天线(通常为喇叭天线)、待测电磁吸波器件、与电磁吸波器件具有同样大小的一块金属平板，在测量电磁吸波器件其反射、透射性能时，通过分别测量空测条件下，放置电磁吸波器件条件下以及放置与吸波器件相同大小，相同位置的金属平板条件下的反射、透射系数，进行合理而简洁的数据处理，大幅度减小系统误差对测量结果的影响；本发明的测量方法相比于一般的弓形测试方法，对导轨的半径以及待测电磁吸波器件样品的尺寸要求降低，具有更广泛的适用性。

附图说明

图1是空测条件下的波束示意图；

图2是空测条件下摆放吸波材料的测试台示意图；

图3是放置金属平板条件下波束示意图；

图4是放置待测电磁吸波器条件下波束示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-4所示，附图标记如下：圆形导轨1、发射天线2、第一接收天线3、第二接收天线4、待测电磁吸波器件5、金属平板6、杂散耦合信号7、吸波材料8、直射波束9、透射波束10、绕射波束11和反射波束12。

测量电磁吸波器件的反射和透射性能的装置，包括圆形导轨1以及位于圆形导轨1上用作馈源的发射天线2；用于接收反射波束12的第一接收天线3；用于接收透射波束10的第二接收天线4；待测电磁吸波器件5及与待测电磁吸波器件5大小相同的金属平板6；待测电磁吸波器件5的大小无需满足远场条件。圆形导轨1的半径无需满足远场条件。金属平板6与待测电磁吸波器件5大小相同，且摆放位置一致。在用于接收反射波束12的第一接收天线3和用于接收透射波束10的第二接收天线4之间设置待测电磁吸波器件5或金属平板6；在待测电磁吸波器件5或金属平板6外沿设置用于减小电磁绕射影响的吸波材料8。

一、反射系数的测量

如图1所示，无论是在空测条件下，还是摆放待测吸波器件5或摆放与待测电磁吸波器件5相同大小相同位置的金属平板6的条件下，如图2所示，测试台上都会摆放少量吸波材料8，以减小电磁绕射的影响。第一接收天线3会接收到来自发射天线2的杂散耦合信号7，使得测得的反射参数S11不为零，该杂散耦合信号7在测试待测电磁吸波器件5时依然会出现，导致测量误差，记此时测得的反射系数为S11_空。

如图3所示，将与待测电磁吸波器件5相同大小的金属平板6放置在测试台上，此时第一接收天线3收到的信号包括由金属平板反射回来的信号以及直接来自发射天线2的杂散耦合信号7，记此时测得的反射参数为S11_地，用S11_地-S11_空表示仅由金属平板6反射贡献的反射系数，因金属在微波段对电磁波的全反射作用，故以S11_地-S11_空作为反射系数归一化的单位1。

如图4所示，待测电磁吸波器件5放置在测试台上(保持与金属平板6位置相同)，此时第一接收天线3收到的信号包括由待测电磁吸波器件5反射回来的信号以及直接来自发射天线2的杂散耦合信号7，记此时测得的反射参数为S11_测，用S11_测-S11_空表示

仅由待测电磁吸波器件5反射贡献的反射系数，归一化的反射系数记为：

S11_归＝(S11_地-S11_空)/(S11_地-S11_空)。

如此能够大幅度减小发射天线2和第一接收天线3之间的杂散耦合7对反射参数的影响。

二、透射系数的测量

如图1所示，在空测条件下，第二接收天线4收到的信号包括来自发射天线2的直射波束9以及绕射波束11，此绕射信号在测量待测电磁吸波器件5的透射系数时依然会出现，造成测量误差，记此时测得的透射系数为S21_空。

如图3所示，将与待测电磁吸波器件5相同大小的金属平板6放置在测试台上，此时第二接收天线4会接受到来自发射天线2的绕射波束11，使得测得的透射系数不为零，记此时测得的透射系数为S21_地，用S21_空-S21_地表示仅由发射天线2直射到第二接收天线4的波束贡献的的透射系数，作为透射系数归一化的单位1。

如图4所示，待测电磁吸波器件5放置在测试台上保持与金属平板6位置相同，此时第二接收天线4收到的信号包括透过以及绕射过待测电磁吸波器件5的信号，记此时测得的透射系数为S21_测，用S21_测-S21_地表示仅由透过吸波器件的波束贡献的透射系数，归一化的透射系数记为：

S21_归＝(S21_测-S21_地)/(S21_空-S21_地)。

如此能够大幅度减小发射天线2和第二接收天线4之间的绕射波束对透射系数的影响。

三、待测电磁吸波器件5吸收率的计算

最终，待测电磁吸波器件5吸收率表示为：

A＝1-∣S11_归∣²-∣S21_归∣²。

以上实施例用于理解本发明的方法和核心思想，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，进行任何可能的变化或替换，均属于本发明的保护范围。