一种基于新型天线的材料反射率测试方法技术

本发明专利技术提供了一种基于新型天线的材料反射率测试方法，属于天线技术领域，该方法包括：基于超宽带要求设计复合馈电结构；基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构；确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；基于设计的天线，对材料反射率进行测试。本发明专利技术通过采用多层介质嵌套的方式结构实现电磁波聚焦，以及采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化，并利用时域选通算法能够精准地实现设计的天线对吸波涂层反射率的定量检测。反射率的定量检测。反射率的定量检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于新型天线的材料反射率测试方法


[0001]本专利技术属于天线
，尤其涉及一种基于新型天线的材料反射率测试方法。

技术介绍

[0002]战机在施工、贮存、运输、训练及作战过程中，吸波涂层会受外部环境或自身寿命等多种复杂因素影响而出现机械性损伤或吸收剂变质等失效行为，从而引起吸波涂层物理化学性能恶化。在各类失效行为中，吸收剂变质往往不易被察觉。有时目视隐身涂层状态良好或仅有轻微变色，但其内部吸收剂随着使用时间的增加或已发生氧化作用等化学反应，导致吸收剂的固有电磁参数发生变化，对应的反射率也随之变化，使得涂层性能达不到预期要求。因此，在装备服役过程中，需根据装备使用情况对已涂覆涂层进行反射率现场跟踪检测。对于生产或维修车间涂料检测情况，受测试场地的限制，难以采用现有的实验室测试系统；对于已涂覆于机体表面涂层检测情况，只能进行原位无损检测，也无法采用实验室制样测试系统。
[0003]反射率现场测试系统不能简单地通过将远场测试系统缩小来得到，远场测试由于待测材料距离天线较远，即使天线辐射场为球面波，远距离也会使得在垂直于传播方向上的某一平面区域内各点相位近似相等。而近场测试中由于材料和天线相距较近，球面波在相同尺寸平面区域内的相位差相比远场更大。解决该问题的方法是在保证小型化与宽频带的前提下，设计近场辐射波束更窄的天线，使得入射到待测材料上的能量集中在更小的区域内，通过减小相位变化较大区域内的辐射能量来减小相位变化对测试结果的影响。
[0004]近年来，随着近场测试技术的发展，出现了越来越多利用天线近场辐射波进行材料特性测试的技术。由于天线距离待测材料较近，使得测试空间大为减小。通过对天线进行特殊设计，能够使大部分近场辐射能量集中在一个相对较窄的空间波束内，该波束能够实现和远场辐射波相似的场分布特性，从而模拟远场平面波照射状态。这类天线能够减小反射率测试对材料形状及尺寸的要求，只需要较小的待测材料区域便能够截获近场辐射波束，使材料能对入射波束进行有效反射，通过对比接收信号和发射信号即可获得材料的反射特性。这类天线的代表主要有阵列聚焦天线、介质透镜天线、金属平板透镜天线、平面漏波天线、菲涅区平面天线及超材料透镜等。电磁透镜具有将非平面波前转换为平面波前的能力，在各种天线的增益增强设计中有着广泛的应用。传统的电磁透镜主要依靠其介质参数和形状的渐变来改变射径长度，从而实现波前变换所需的相位补偿这些聚焦元件提供了一种控制入射到材料试样上的能量的束宽和相位锥度的方法。特别地，在透镜或反射镜前形成一个焦点，并将试件放置在该焦点处，使相锥最小，场近似为平面波。聚焦法因其在介质材料和磁性材料表征方面的高精度而得到广泛应用。由于现场测试中待测材料一般处于天线的辐射近场区，因此天线需在离开口径较近的距离内形成平面波或近似平面波照射，常用设计方法为：（1）在天线口径或口径前方加装聚焦透镜；（2）在馈源前方安装椭球反射面；（3）采用人工电磁结构进行波束调控；（4）将天线进行组阵。其中，方法（1）和（2）能够在宽频带内获得较好的窄波束特性，但应用于低频设计时透镜或反射面体积较大，质量较重，
低频下难以应用于现场便携式测试；方法（3）利用周期电磁结构进行聚焦，能够有效减小透镜尺寸和重量，但由于电磁结构的特性与频率相关性较大，一种结构尺寸仅能在窄带内实现聚焦；方法（4）能够在较宽频带内获得窄波束特性，且组阵有利于旁瓣降低，但由于阵元数量增加，导致馈电网络的设计更复杂，横向尺寸也更大。
[0005]虽然反射率测试技术研究已开展了几十年，但针对现场检测时，由于现场环境的复杂性以及对测试传感器小型化、便携性、宽频带的要求，还存在诸多问题亟待解决，目前的研究工作还无法满足现场检测的要求，且当前还未涉及利用多层透镜嵌套聚焦思想，开展高斯辐射点聚焦天线设计与反射率方法研究。

技术实现思路

[0006]针对现有技术无法满足反射率现场测试对天线的要求，本专利技术提供的一种基于新型天线的材料反射率测试方法，本专利技术通过采用多层介质嵌套的方式实现天线小型化及电磁波聚焦，以及采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化。
[0007]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：本方案提供一种基于新型天线的材料反射率测试方法，包括以下步骤：S1、基于超宽带要求设计复合馈电结构；S2、基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构；S3、确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；S4、将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；S5、基于S4所设计的天线，对材料反射率进行测试。
[0008]本专利技术的有益效果是：本专利技术利用透镜聚焦思想，开展多层嵌套圆介质波导点聚焦天线研制与反射率方法研究：所设计的天线在超宽带（10倍频程以上）范围内具有更小的尺寸、结构紧凑；辐射波束在频段具有窄波束、低驻波、高增益的特点；该形式天线更适合对材料反射率的现场测试；利用所设计的多层嵌套介质窄波束透镜天线实现电磁波聚焦及小型化，以及采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化，并利用时域选通算法能够精准地对吸波涂层反射率进行现场定量测量。
[0009]进一步地，所述S1中复合馈电结构为复合超宽带馈电结构，所述复合馈电结构采用多层指数渐变槽馈电设计，所述复合馈电结构包括阻抗变换部分和电磁波导行部分；所述阻抗变换部分设置有馈电端口，其中，第一层为正向馈电端口，第二层为与第一层电流相位相差180度的负向馈电端口；所述正向馈电端口采用同轴线馈入，所述正向馈电端口末端接入同轴线内导体，所述负向馈电端口末端接入同轴线外屏蔽层，所述正向馈电端口与负向馈电端口均分布于不同层的PCB板面上；所述多层透镜嵌套聚焦辐射结构与所述电磁波导行部分连接。
[0010]上述方案的有益效果是：本专利技术通过设计阻抗变换部分和馈电导行部分，并对馈电阻抗变换部分的金属线结构尺寸和引向导行部分的长度与宽度不断进行优化，最终实现天线在2～22GHz频带范围内正常工作，同时本专利技术通过采用复合馈电形式实现超宽带和低交叉极化、低驻波比。
[0011]再进一步地，所述S2包括以下步骤：S201、将工作频段划分为2GHz～9GHz、9GHz～15GHz和15GHz～22GHz三个导行传播频率范围，并利用不同频率范围中介质圆波导截止频率不同的原理，采用三层复合介质导行波导确定天线多层结构的层数；S202、确定不同介质层的直径参数；S203、利用介质圆波导导行电磁波的条件设置迭代值，并通过选用不同复合介质材料的特征参数，整体优化不同介质材料的直径参数与整体多层透镜组合的长度关系，以确定介质圆波导嵌套结构，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的设计。
[0012]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术通过设计多层介质嵌套的方式结构，以实现电磁波的聚焦辐射。
[0013]再进一步地，所述直径的满足条件如下：其中，表示介质波导内不同介质层的直径，表示自由空间中的波长，表示自由空间介电常数，表示介质圆波导中第i层介质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于超宽带要求设计复合馈电结构；S2、基于透镜聚焦原理设计多层透镜嵌套聚焦辐射结构；S3、确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，并利用遗传算法对天线结构参数进行全局优化处理；S4、将优化后的天线结构参数应用于时域有限积分分析软件中，对天线性能进行验证，完成对小型化超宽带点聚焦天线的设计；S5、基于S4所设计的天线，对材料反射率进行测试。2.根据权利要求1所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S1中复合馈电结构为复合超宽带馈电结构，所述复合馈电结构采用多层指数渐变槽馈电设计，所述复合馈电结构包括阻抗变换部分和电磁波导行部分；所述阻抗变换部分设置有馈电端口，其中，第一层为正向馈电端口，第二层为与第一层电流相位相差180度的负向馈电端口；所述正向馈电端口采用同轴线馈入，所述正向馈电端口末端接入同轴线内导体，所述负向馈电端口末端接入同轴线外屏蔽层，所述正向馈电端口与负向馈电端口均分布于不同层的PCB板面上；所述多层透镜嵌套聚焦辐射结构与所述电磁波导行部分连接。3.根据权利要求1所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S201、将工作频段划分为2GHz～9GHz、9GHz～15GHz和15GHz～22GHz三个导行传播频率范围，并利用不同频率范围中介质圆波导截止频率不同的原理，采用三层复合介质导行波导确定天线多层结构的层数；S202、确定不同介质层的直径参数；S203、利用介质圆波导导行电磁波的条件设置迭代值，并通过选用不同复合介质材料的特征参数，整体优化不同介质材料的直径参数与整体多层透镜组合的长度关系，以确定介质圆波导嵌套结构，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的设计。4.根据权利要求3所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述直径的满足条件如下：其中，表示介质波导内不同介质层的直径，表示自由空间中的波长，表示自由空间介电常数，表示介质圆波导中第i层介质材料的介电常数。5.根据权利要求4所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，所述确定多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围，其具体为：基于设计的多层透镜嵌套聚焦辐射结构，对多层透镜嵌套聚焦辐射结构尺寸进行优化，完成对多层透镜嵌套聚焦辐射结构的参数范围的确定。6.根据权利要求5所述的基于新型天线的材料反射率测试方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方阳，杨西含，王若男，陈振茂，陈洪恩，李勇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：