三维微波近场成像系统及其成像方法与流程

本发明属于微波近场成像领域，具体涉及一种三维微波近场成像系统及其成像方法。

背景技术：

微波近场成像系统是一种使电磁波成像的技术，通过机械装置控制平台或探针的移动扫描并测量不同位置电磁波的幅度和相位，从而得到电磁波的场分布。

现有技术方案是探针固定，移动固定在二维机械平台的测试样品来扫描并测量电磁波的幅度和相位，从而得到电磁波的场分布。(d.schurig,j.j.mock,b.j.justice,s.a.cummer,j.b.pendry,a.f.starr,d.r.smith，metamaterialelectromagneticcloakatmicrowavefrequencies,science314,977-980(2006).)现有技术方案只能成像单一平面内的电磁波，而且因为运动平台的承重和尺寸限制，对所测试的样品的重量和大小会有极大的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种三维微波近场成像系统。

本发明的三维微波近场成像系统包括上位机、网络矢量分析仪、三维运动轴承和轴承控制器。

所述的网络矢量分析仪响应上位机的采集指令从而采集扫描区域电磁波的幅度和相位数据，并将所述的电磁波的幅度和相位数据传输并储存在所述的上位机。

所述的网络矢量分析仪的接收探针安装在所述的三维运动轴承上，随三维运动轴承一起移动；

所述的轴承控制器响应上位机的指令，驱动三维运动轴承的运动。

所述的三维运动轴承包括底座、x轴运动装置、y轴运动装置和z轴运动装置；x轴运动装置通过两个滑轨滑动安装在底座上；y轴运动装置通过滑轨滑动安装在x轴运动装置上、z轴运动装置通过滑轨滑动安装在y轴运动装置；x轴运动装置、y轴运动装置和z轴运动装置分别可沿相互垂直的x轴方向、y轴方向、z轴方向滑动；网络矢量分析仪的接收探针以可绕z轴旋转的方式设置在z轴运动装置上。

本发明还公开了一种三维微波近场成像方法，包括如下步骤：

第一步，放置试验样品并设定好激发源，上位机发出指令给轴承控制器，控制三维运动轴承携带探针到扫描区域起始零点；

第二步，设定实验样品的扫描区域范围及扫描步长，设置网络矢量分析仪的频率范围，及频谱采样点数；

第三步，上位机向网络矢量分析仪发出采集数据指令，网络矢量分析仪存储扫描起始零点的电磁波的幅度和相位数据；

第四步，网络矢量分析仪完成起始点的数据采集后发出数据采集完成信息到上位机，上位机发送移动指令给轴承控制器，命令三维运动轴承运动到下一个位置，并发出采集数据指令到网络矢量分析仪采集并存储新的位置的电磁波的幅度和相位数据；

第五步，通过移动三维运动轴承带动探针扫描样品区域的每个位置并通过网络矢量分析仪采集不同位置的电磁场幅度和相位数据，得到每个频率点上的电磁场分布图。

所述第二步网络矢量分析仪的频率范围与试验样品谐振频率范围相同。

本发明因为采用三维运动轴承，所以可以成像任意三维空间内的电磁场分布。不同的运动轴承组合，可以成像不同平面内的电磁场。传统近场成像系统只能成像单一平面内的电磁场。本发明因为采用开放式的扫描系统，接收探针运动而所测样品不动，所以试验样品大小，重量不受限制。

附图说明

图1为本发明的三维运动轴承示意图；

图2为不同运动轴承组合成像不同三维平面的示意图；其中(a)为成像xz平面，(b)为成像xy平面，(c)为成像yz平面。

图3为本发的具体实验示例，其中(a)为表面波谐振器的俯视图；(b)为微波近场成像的谐振模式图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做近一步说明。

本发明主要包括四部分硬件：上位机(电脑)，网络矢量分析仪，三维运动轴承，轴承控制器。所述的网络矢量分析仪响应上位机的采集指令从而采集扫描区域内电磁波的幅度和相位数据，并将所述的电磁波的幅度和相位数据传输并储存在所述的上位机；所述的网络矢量分析仪的接收探针安装在所述的三维运动轴承上，随三维运动轴承一起移动；所述的轴承控制器响应上位机的指令，驱动三维运动轴承的运动。

四部分硬件在本实施例中用labview软件集成，实际上也可采用其它控制软件(例如matlab语言)来完成三维运动轴承的控制。其中三维运动轴承的设计如图1所示。不同运动轴承的组合可成像不同三维平面内的电磁场，如图2所示，(a)中通过锁死z轴运作装置在y轴运作装置上的位置，探针即可在xz平面进行移动和数据采集；(b)中通过锁死探针在z轴运作装置上的位置，探针即可在xy平面进行移动和数据采集；(c)中通过锁死y轴运作装置在x轴轨道上的位置，探针即可在yz平面进行移动和数据采集。

工作时，放置试验样品并设定好激发源，labview发出指令给轴承控制器，控制三维运动轴承携带探针移动到实验测试样品的扫描区域起始零点。以近场微波成像单个表面波谐振腔为例说明该发明的工作流程。单个表面波谐振腔的尺寸是36*36mm²,谐振频率范围在3-7ghz。如图2所示。

在用户界面定义自动扫描的样品区域范围及扫描步长。设定扫描范围为x方向36mm，y方向36mm，扫描步长均为0.5mm，所以扫描网格点数为72*72.并设置网络矢量分析仪的频率范围为3-7ghz，及频谱采样点数为400个频率点。

labview向网络矢量分析仪发出采集数据指令，网络矢量分析仪存储扫描起始零点的电磁波的幅度和相位数据。

当网络矢量分析仪完成起始点的数据采集，会发出数据采集完成信息到labview，labview重新发送移动指令给轴承控制器，命令三维运动轴承运动到下一个位置，并发出采集数据指令到网络矢量分析仪采集并存储新的位置的电磁场数据。

通过连续移动三维运动轴承带动探针自动扫描实验样品区域的每个位置并通过网络矢量分析仪采集不同位置的电磁场幅度和相位信息，就可以画出每个频率点上的电磁场分布图。如图3所示，m1-m6分别是该表面波谐振器所支持的谐振模式的电场分布图。其中m1是第一阶模式，谐振频率为4.2ghz，m2是第二阶模式，谐振频率为5.3ghz，m3是第三阶模式，谐振频率为6.08ghz，m4是第四阶模式，谐振频率为6.45ghz，m5是第五阶模式，谐振频率为6.65ghz，m6是第六阶模式，谐振频率为6.76ghz。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种三维微波近场成像系统及其成像方法。包括上位机、网络矢量分析仪、三维运动轴承和运动轴承控制器；所述的网络矢量分析仪响应上位机的采集指令并由其接收探针采集扫描区域电磁波的幅度和相位数据，并将所述的电磁波的幅度和相位数据传输给所述的上位机；所述的网络矢量分析仪的接收探针安装在所述的三维运动轴承上，随三维运动轴承一起移动；所述的轴承控制器响应上位机的指令，驱动三维运动轴承的运动。该发明设计可以成像任意三维空间内的电磁场分布，因为采用开放式的扫描系统，接收探针运动而所测样品不动，所以试验样品大小、重量不受限制。

技术研发人员：高振;许弘毅;张柏乐
受保护的技术使用者：深圳凌波近场科技有限公司
技术研发日：2017.06.01
技术公布日：2017.08.18