一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，該裝置由毫米波接收陣列、數(shù)值信號處理系統(tǒng)和吸波材料組成，所述毫米波接收陣列包括接收陣列天線、衰減器以及檢波器，所述數(shù)值信號處理系統(tǒng)包括數(shù)值采集和數(shù)值處理。本發(fā)明基于毫米波檢波原理，可精確、快速完成對高功率密度大束斑時空分布的測量?；谠摐y量裝置，可開展毫米波雷達(dá)、毫米波通信、導(dǎo)航、定位、生物醫(yī)學(xué)等技術(shù)研究；為促進(jìn)毫米波相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定一定技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說明】一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及毫米波測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]毫米波同時具有微波和紅外波段的特點，一直受到研宄人員的關(guān)注。近年來，特別是在國際熱核聚變ITER、毫米波無線輸能、毫米波雷達(dá)、毫米波主動拒止等民用、軍用推動下，伴隨著大功率回旋管等電真空技術(shù)的發(fā)展，毫米波技術(shù)向更高功率、更高頻率的方向發(fā)展，其系統(tǒng)自由空間傳輸?shù)牟ㄊβ拭芏纫赃_(dá)到了瓦級/平方厘米，束斑直徑已從毫米級擴展到了米級。這種毫米波束斑由于頻率高、功率密度大、束斑直徑大，在自由空間傳輸過程中由于周圍環(huán)境引起的反射和多徑效應(yīng)越發(fā)明顯，造成的結(jié)果是波束束斑時間、空間分布畸變，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。因此，急需研制出大功率密度波束測量系統(tǒng)來對波束的時空分布進(jìn)行研宄。
[0003]我國從二十世紀(jì)末開始研宄毫米波測量系統(tǒng)。近年來，在國內(nèi)同行業(yè)中南京理工大學(xué)處于領(lǐng)先水平，在毫米波探測系統(tǒng)研宄工作中取得了較多的成果。但大多數(shù)的研制的測量系統(tǒng)，大多數(shù)都是針對低功率密度、小束斑的功率測試(比如南京理工大學(xué)李興國教授團(tuán)隊研制的毫米波探測系統(tǒng))或者是低頻段高功率測試(張治強，王宏軍，張黎軍，等.高功率微波輻射場功率陣列測量裝置研制[J].強激光與粒子束，2010，22(4): 883-886)?目前，國內(nèi)外針對毫米波大功率密度大束斑時空分布測量，都采用紅外熱像這種方式，即利用毫米波束斑照射到諸如熱敏紙等可發(fā)熱體上，將毫米波能量轉(zhuǎn)換為熱量，然后通過成熟的紅外熱成像系統(tǒng)得到發(fā)熱體上的溫度分布，根據(jù)該溫度分布來倒推得到毫米波束斑分布(楊顯志，宮玉彬，王文祥.紅外熱像法測毫米波介質(zhì)透鏡天線的焦斑[J].中國測試技術(shù)，2008, 34(3): 1-3)。但發(fā)熱體受毫米波作用溫度升高的過程是毫米波功率進(jìn)行累積發(fā)熱的過程，是一個能量疊加的過程，同時其溫度分布受到可發(fā)熱體材料物理特性、材料的均勻度、溫度擴散、周圍環(huán)境等多方面復(fù)雜因素的影響，另外現(xiàn)有的紅外熱像裝置每秒采樣率較低(百萬元量級的紅外成像設(shè)備，只有100幀/秒)，這些因素造成無法精確、快速的完成對毫米波束斑時間和空間分布的測量(特別是毫米波剛開始作用到發(fā)熱體，而發(fā)熱體的溫度未開始變化時)。因此人們希望有一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，可精確、快速測量毫米波高功率密度大束斑時空分布，促進(jìn)毫米波相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了完成毫米波高功率密度大束斑時空分布測量，提供一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置。該裝置可精確、快速完成毫米波高功率密度大束斑時空分布測量。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，該裝置由毫米波接收陣列和數(shù)值信號處理系統(tǒng)組成，所述毫米波接收陣列包括接收陣列天線、衰減器以及檢波器，所述數(shù)值信號處理系統(tǒng)包括數(shù)值采集和數(shù)值處理；所述陣列天線的輸出端與衰減器的輸入端連接，衰減器的輸出端與檢波器的輸入端連接，檢波器輸出端與數(shù)值信號處理系統(tǒng)的輸入端連接。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述接收陣列天線為毫米波信號接收天線，其天線單元的形式包括但不限于開口波導(dǎo)天線、矩形喇叭、微帶天線。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述天線單元的空間排布距離小于或等于被測束斑所需最小空間分辨距離。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述接收陣列天線輸出端的輸出阻抗與衰減器輸入端的輸入阻抗相匹配。
[0009]在上述技術(shù)方案中，所述衰減器為毫米波信號衰減裝置，包括但不限于衰減器、耦合器。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述衰減器的衰減量大于或等于衰減器的最大輸入功率與檢波器可承受的功率之差。
[0011]在上述技術(shù)方案中，衰減器的輸出阻抗與檢波器的輸入阻抗相匹配。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述檢波器為毫米波半導(dǎo)體檢波器，檢波器的輸出阻抗與數(shù)值信號處理系統(tǒng)的輸入阻抗相匹配。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述吸波材料為毫米波吸波材料，吸波材料形式包括但不限于泡沫式、橡膠式、硅膠涂敷等形式。
[0014]本發(fā)明的測量裝置的工作原理為:通過接收陣列天線將被測毫米波束斑按照空間分布分解，然后通過檢波器實現(xiàn)每一路毫米波信號向電信號的同步轉(zhuǎn)化，最后采用成熟的數(shù)值信號處理系統(tǒng)完成每一路信號隨時間變化的采樣、處理和在計算機上實現(xiàn)的全束斑時間和空間信息顯示，最終完成對毫米波高功率密度大束斑時空分布的測量。
[0015]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:目前，國內(nèi)采用的紅外熱像方式不能精確、快速的完成毫米波高功率密度大束斑時空分布的測量；而本發(fā)明基于毫米波檢波原理，可精確、快速完成對高功率密度大束斑時空分布的測量?；谠摐y量裝置，可開展毫米波雷達(dá)、毫米波通信、導(dǎo)航、定位、生物醫(yī)學(xué)等技術(shù)研宄；為促進(jìn)毫米波相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定一定技術(shù)基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明測量裝置組成框圖；
圖2是測量裝置陣列天線、衰減器、檢波器分布示意圖；
其中:1是接收陣列天線，2是數(shù)值信號處理系統(tǒng)，3是吸波材料，4是毫米波信號，5是模擬信號，11是接收陣列天線，12是衰減器，13是檢波器。

【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本發(fā)明由毫米波接收陣列、數(shù)值信號處理系統(tǒng)和吸波材料組成。其中毫米波接收陣列包括:接收陣列天線、衰減器、檢波器，數(shù)值信號處理系統(tǒng)包括數(shù)值采集、數(shù)值處理系統(tǒng)。
[0018]所述接收陣列天線為毫米波信號接收天線，其天線單元的形式可以為開口波導(dǎo)天線、矩形喇叭、微帶天線等不同類型天線，其輸出端與衰減器的輸入端連接，其輸出阻抗與衰減器輸入阻抗相匹配，天線單元的空間排布小于等于被測束斑所需最小空間分辨距離。
[0019]所述衰減器為毫米波信號衰減裝置，可以是衰減器、耦合器等，其衰減量大于或等于衰減器的最大輸入功率減去檢波器可承受的功率，其輸入端與接收天線的輸出端連接，其輸入阻抗與接收天線的輸出阻抗匹配；其輸出端與檢波器的輸入端連接，其輸出阻抗與檢波器的輸入阻抗相匹配。
[0020]所述檢波器為毫米波半導(dǎo)體檢波器，將毫米波信號準(zhǔn)實時轉(zhuǎn)化為電信號，其輸入端與衰減器的輸出端連接，輸入阻抗與衰減器輸出阻抗相匹配；輸出端與數(shù)值信號處理系統(tǒng)的輸入端連接，且兩端的阻抗匹配。
[0021]所述數(shù)值信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對電信號的采集、處理、存儲和全束斑時間和空間信息顯示功能，由通用的高速數(shù)值采集卡和工控計算機以及相應(yīng)的軟件組成。
[0022]所述吸波材料為毫米波吸波材料，用于減小測量系統(tǒng)對毫米波束斑分布的影響。
[0023]由本發(fā)明提供的技術(shù)設(shè)計了 I個3mm波段的毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其空間分辨率為2.5cm,時間分辨率為Ims (受數(shù)值采集卡的限制)，功率密度可測功率密度范圍:0.lff/cm2~10 W/cm2。其陣列天線、衰減器、檢波器的分布示意圖如圖2所示，對應(yīng)的每一個位置的陣列天線、衰減器、檢波器組成了一個檢測單元。整個裝置由304個探測單元完成束斑空間分布測試，其中0.4mX0.4m的束斑中心依照2.5cm間距分布布16X 16個檢測測單元，其余水平和垂直方向各0.3m的束斑邊緣區(qū)域依照2.5cm間距布4X 12個檢測單元。每一個探測單元對應(yīng)一個毫米波束斑點位置(x0，y0)。位置(x0，y0)點處的天線單元接收to時刻的水平極化分量毫米波，該信號經(jīng)過必要的衰減后，饋入檢波器，檢波器輸出的模擬電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)化后，存儲在數(shù)據(jù)處理工控計算機(x0，y0，t0)內(nèi)。這樣通過接收陣列從時間和空間上將波束面進(jìn)行了分解，后端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到的數(shù)組(X，y, t)就對應(yīng)著被測3mm大功率波束水平分量精確的時空分布。
[0024]其中，標(biāo)準(zhǔn)的3mm矩形開口波導(dǎo)天線，天線增益為SdB ;衰減器為22.5dB的吸收式衰減器；檢波器輸出為0V~5V準(zhǔn)直流信號，毫米波信號起始響應(yīng)時間小于500ns。除數(shù)值信號處理系統(tǒng)外，全系統(tǒng)重量小于35公斤，裝于孚勒姆CB-58F-A云臺上，可以方位360°旋轉(zhuǎn)。
[0025]通過本發(fā)明，可以研制出一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，以解決現(xiàn)有毫米波段高功率密度大束斑的時間、空間分布測量響應(yīng)慢、不準(zhǔn)確的難題。
[0026]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權(quán)利要求】
1.一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于該裝置由毫米波接收陣列、數(shù)值信號處理系統(tǒng)和吸波材料組成，所述毫米波接收陣列包括接收陣列天線、衰減器以及檢波器，所述數(shù)值信號處理系統(tǒng)包括數(shù)值采集和數(shù)值處理；所述陣列天線的輸出端與衰減器的輸入端連接，衰減器的輸出端與檢波器的輸入端連接，檢波器輸出端與數(shù)值信號處理系統(tǒng)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述接收陣列天線為毫米波信號接收天線，其天線單元的形式包括但不限于開口波導(dǎo)天線、矩形喇叭、微帶天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述天線單元的空間排布距離小于或等于被測束斑所需最小空間分辨距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述接收陣列天線輸出端的輸出阻抗與衰減器輸入端的輸入阻抗相匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述衰減器為毫米波信號衰減裝置，包括但不限于衰減器、耦合器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述衰減器的衰減量大于或等于衰減器的輸入的最大功率與檢波器可承受的功率之差。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于衰減器的輸出阻抗與檢波器的輸入阻抗相匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述檢波器為毫米波半導(dǎo)體檢波器，檢波器的輸出阻抗與數(shù)值信號處理系統(tǒng)的輸入阻抗相匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波高功率密度大束斑時空分布測量裝置，其特征在于所述吸波材料為毫米波吸波材料，吸波材料形式包括但不限于泡沫式、橡膠式、硅膠涂敷。
【文檔編號】G01J1/42GK104515594SQ201410768539
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】薛長江, 余川, 孟凡寶, 屈勁, 施美友, 陳世韜, 石小燕, 鄭強林 申請人:中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所