超材料周期结构单元幅相特性测量系统及方法技术方案

技术编号：40286344 阅读：9 留言：0更新日期：2024-02-07 20:38

本发明专利技术属于微波测量领域，涉及超材料周期结构单元幅相特性测量系统及方法。测量系统包括测量夹具、外部场源、待测周期结构单元和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪与测量夹具电性连接，待测周期结构单元置于测量夹具内部，外部场源置于测量夹具外部，外部场源将外部信号输入到待测周期结构单元，矢量网络分析仪测量待测周期结构单元受外部信号影响下的测量系统反射参数。测量方法包括将待测周期结构单元置于短路面与内导体空隙处，施加不同的外部信号并记录测量系统反射参数，根据反射参数通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性。本发明专利技术实现了超材料周期结构单元幅相特性的测量，测量系统结构简单，操作方便，测量结果准确。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波测量，具体涉及超材料周期结构单元幅相特性测量系统及方法。

技术介绍

1、在电磁学领域，如何实现电磁波的散射特性自由调控一直以来都是一项极具挑战性的研究课题。传统的光学器件可以通过调制动力学相位实现波束控制，但对于器件的结构、外形和体积存在诸多限制，导致系统复杂度高、加工难度大、微型化和集成化不易实现。因此，在微波频段，一种基于结构设计引入突变相位，并通过对突变相位的有机排列构建的新型结构功能材料被提出(即超材料)，为电磁散射调控提供了新的研究思路。

2、目前，对于超材料来说如何实现高分辨率的数字化可编程能力是研究的热点问题。超材料一般是有多个周期结构单元作为基本单元组成的阵列构成，不同结构单元的幅相特性不同，从而实现对电磁波的精准调控。可以说，不同超材料结构单元的幅相特性决定了超材料结构对电磁波的调控能力。现有的超材料结构单元中主要有两类关键调控元件，一类是电压调控的，一类是光强调控的。当超材料结构单元中的调控元件受到不同电压或者光强辐照后，周期结构单元的幅相特性发生变化，从而可以对电磁波进行调控。

3、现阶段超材料能否正确的实现电磁波调控功能，通常需要加工完整的超材料结构单元阵列再进行测量。如果阵列中有某一个或者多个周期结构单元因设计存在偏差，往往会造成整个加工的超材料结构单元阵列不能继续使用，造成大量的财力物力损失。

4、因此，如何搭建测量系统，能够实现对超材料周期结构单元幅相特性进行高精度测量，就成为了当前的研究重点。

技术实现思路</p>

1、针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种超材料周期结构单元幅相特性测量系统及方法。本专利技术利用终端短路带状线、外部场源、隔直器和矢量网络分析仪，根据待测周期结构单元中的调控元件对不同外部场源大小的响应不同，通过测量测量系统反射参数的变化，反演得到待测周期结构单元在不同外部场源作用下的幅相特性，实现对超材料周期结构单元幅相特性测量。

2、为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：

3、超材料周期结构单元幅相特性测量系统，包括测量夹具、外部场源、待测周期结构单元和矢量网络分析仪，所述待测周期结构单元为具有谐振特性的电路单元，其中上表面为图案层，加载有对外部场源感应的调控元件，下表面为金属地，所述矢量网络分析仪与测量夹具电性连接，所述待测周期结构单元置于测量夹具内部，所述外部场源置于测量夹具外部，所述外部场源将外部信号输入到待测周期结构单元，所述矢量网络分析仪测量待测周期结构单元受外部信号影响下的测量系统反射参数，利用电磁理论计算得到待测周期结构单元受外部信号影响下的幅相特性。

4、优选的，所述测量夹具采用终端短路带状线，终端短路带状线内的导体与短路面之间留有用于加载待测周期结构单元的空隙，待测周期结构单元的金属地与终端短路带状线的短路面一侧平行接触，图案层与终端短路带状线内的导体接触。

5、优选的，所述待测周期结构单元的调控元件受电压调控，所述外部场源为可调直流电压源，所述终端短路带状线的短路面上设置两个小孔，所述可调直流电压源通过直流线穿过两个小孔为待测周期结构单元中的调控元件供电。

6、优选的，所述矢量网络分析仪通过同轴电缆与隔直器连接，隔直器与终端短路带状线连接。

7、优选的，所述待测周期结构单元的调控元件受光源调控，所述外部场源为光源，所述光源发出的光信号通过光学链路后到达待测周期结构单元和光功率计，光学链路包括衰减片、分束器和镜面，光源、衰减片、分束器和镜面位于同一直线上，分束器分路后的一路光信号到达光功率计，终端短路带状线的下表面对应待测周期结构单元的位置开设供光信号通过的通孔，镜面与终端短路带状线下表面的通孔位于同一直线上，分束器分路后的另一路光信号通过镜面到达待测周期结构单元。

8、优选的，所述光源为宽谱光源。

9、超材料周期结构单元幅相特性测量方法，应用前述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，包括以下步骤：

10、不加载待测周期结构单元，对测量系统进行短路校准；

11、将受电压调控的待测周期结构单元置于终端短路带状线的短路面与内导体空隙处，可调直流电压源置零，并记录此时测量系统反射参数s11_00；

12、调节可调直流电压源的输出电压值为u1～un，并记录测量系统反射参数s11_10～s11_n0；

13、根据上述步骤测量得到的加载待测周期结构单元在不同输出电压值作用下测量系统反射参数s11，通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性。

14、优选的，通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性，具体过程为：

15、计算待测周期结构单元的幅度：

16、

17、计算待测周期结构单元的相位：

18、

19、其中，为终端短路带状线中的电磁波相移常数，d为待测周期结构单元的物理厚度尺寸。

20、超材料周期结构单元幅相特性测量方法，应用前述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，包括以下步骤：

21、不加载待测周期结构单元，对测量系统进行短路校准；

22、将受光源调控的待测周期结构单元置于终端短路带状线的短路面与内导体空隙处，光源的输出光强置零，并记录此时测量系统反射参数s11_01；

23、调节光源的输出功率为p1～pn，并记录测量系统反射参数s11_11～s11_n1；

24、根据上述步骤测量得到的加载待测周期结构单元在不同输出光强作用下测量系统反射参数s11，通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性。

25、优选的，通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性，具体过程为：

26、计算待测周期结构单元的幅度：

27、

28、计算待测周期结构单元的相位：

29、

30、其中，为终端短路带状线中的电磁波相移常数，d为待测周期结构单元的物理厚度尺寸。

31、综上所述，基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：

32、本专利技术提供了一种超材料周期结构单元幅相特性测量系统和方法，本专利技术仅使用了矢量网络分析仪、终端短路带状线、可调直流电压源、光源和光功率计这些常用仪器，就实现了超材料周期结构单元幅相特性的测量，测量系统结构简单，操作方便，测量结果准确。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，包括测量夹具、外部场源、待测周期结构单元和矢量网络分析仪，所述待测周期结构单元为具有谐振特性的电路单元，其中上表面为图案层，加载有对外部场源感应的调控元件，下表面为金属地，所述矢量网络分析仪与测量夹具电性连接，所述待测周期结构单元置于测量夹具内部，所述外部场源置于测量夹具外部，所述外部场源将外部信号输入到待测周期结构单元，所述矢量网络分析仪测量待测周期结构单元受外部信号影响下的测量系统反射参数，利用电磁理论计算得到待测周期结构单元受外部信号影响下的幅相特性。

2.根据权利要求1所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述测量夹具采用终端短路带状线，终端短路带状线内的导体与短路面之间留有用于加载待测周期结构单元的空隙，待测周期结构单元的金属地与终端短路带状线的短路面一侧平行接触，图案层与终端短路带状线内的导体接触。

3.根据权利要求2所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述待测周期结构单元的调控元件受电压调控，所述外部场源为可调直流电压源，所述终端短路带状线的短路面上设置两个

4.根据权利要求3所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪通过同轴电缆与隔直器连接，隔直器与终端短路带状线连接。

5.根据权利要求2所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述待测周期结构单元的调控元件受光源调控，所述外部场源为光源，所述光源发出的光信号通过光学链路后到达待测周期结构单元和光功率计，光学链路包括衰减片、分束器和镜面，光源、衰减片、分束器和镜面位于同一直线上，分束器分路后的一路光信号到达光功率计，终端短路带状线的下表面对应待测周期结构单元的位置开设供光信号通过的通孔，镜面与终端短路带状线下表面的通孔位于同一直线上，分束器分路后的另一路光信号通过镜面到达待测周期结构单元。

6.根据权利要求5所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述光源为宽谱光源。

7.超材料周期结构单元幅相特性测量方法，其特征在于，应用如权利要求3所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的超材料周期结构单元幅相特性测量方法，其特征在于，通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性，具体过程为：

9.超材料周期结构单元幅相特性测量方法，其特征在于，应用如权利要求5所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的超材料周期结构单元幅相特性测量方法，其特征在于，通过电磁理论计算得到待测周期结构单元的幅相特性，具体过程为：

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【技术特征摘要】

3.根据权利要求2所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述待测周期结构单元的调控元件受电压调控，所述外部场源为可调直流电压源，所述终端短路带状线的短路面上设置两个小孔，所述可调直流电压源通过直流线穿过两个小孔为待测周期结构单元中的调控元件供电。

4.根据权利要求3所述的超材料周期结构单元幅相特性测量系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪通过同轴电缆与隔直器连接，隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨，钟文旭，张军英，刘霞，王威，田平，崔剑，林帅，
申请(专利权)人：山东非金属材料研究所，
类型：发明
国别省市：

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