测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明提供一种测量系统及测量方法，用于测量物体的信号传输性能，即测量物体的传输系数和反射系数，根据测量获得的传输系数可以使用现有的反演方法计算获得物体的介电常数。该测量系统包括：发射天线，用于发射电磁波；主路聚焦透镜，用于将获得的电磁波汇聚至中继装置；中继装置，包括物体并用于将透过物体的电磁波传输至透射路聚焦透镜，和/或将被物体反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜；透射路聚焦透镜，用于将获得的电磁波汇聚至透射路接收天线；反射路聚焦透镜，用于将获得的电磁波汇聚至反射路接收天线。该测量方法使用上述测量系统。解决了对现有测量系统进行校准时操作难度大的问题。
【专利说明】
测量系统及测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料和器件的物理特性测量技术，尤其涉及一种测量系统及测量方 法。
【背景技术】
[0002] 目前，毫米波与亚毫米波系统广泛地应用于医疗、航天、地球探测、大气遥感、海事 卫星以及射电天文领域。
[0003] 在各领域毫米波与亚毫米波的系统中运用了大量的特殊材料和器件，比如，纳米 材料和频率选择表面。在航天领域，纳米材料的介电特性是决定电路板系统性能好坏关键 因素，从而决定了飞行安全性能，而在医疗领域，纳米材料的介电特性可以用来治疗癌症。 在探测领域，频率选择表面作为常用器件可以有选择性地透射一部分频率并反射另外一部 分频率，从而获取被探测物体的状态。
[0004] 频率选择表面这种器件的频率透射性能可以通过测量该频率选择表面的传输系 数(S21)获得，而其频率反射性能可以通过测量其反射系数(S11)获得。材料的介电性能可 以通过测量该材料的传输系数(S21)和反射系数(S11)，再通过反演得到介电常数而获得。 所以，要获得材料和器件的特性，关键在于测量材料和器件的传输系数（S21)和反射系数 (S11)。这两个系数反映了物体的信号传输性能。
[0005] 传统的用于测量物体信号传输性能的测量系统中，只有一路透射路，因此，在校准 过程中采用了传统的Through-Reflection-Line (传输一反射一传输线)校准方法。这种方 法的缺点在于，在进行校准时，要求将两个反射镜面错开一定的距离，而且要求对该距离进 行高精度的测量，由于测量系统工作在毫米波与亚毫米波波段，测量难度非常大。另外，由 于该系统只有一路透射路，也就是说只有一个传输通道，因此要求在一个通道上同时对传 输系数和反射系数进行双端口校准，难度也非常大。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种测量系统及测量方法，解决了对现有测量系统进行校准时操作难 度大的问题。
[0007] 本发明实施例一方面提供一种测量系统，用于测量物体的信号传输性能，包括：
[0008] 发射天线，用于发射电磁波；
[0009] 主路聚焦透镜，用于将获得的所述电磁波汇聚至中继装置；
[0010] 所述中继装置，包括所述物体，并用于将透过所述物体的所述电磁波传输至透射 路聚焦透镜，和/或将被所述物体反射的所述电磁波传输至反射路聚焦透镜；
[0011] 所述透射路聚焦透镜，用于将获得的所述电磁波汇聚至透射路接收天线；
[0012] 所述反射路聚焦透镜，用于将获得的所述电磁波汇聚至反射路接收天线。
[0013] 本发明实施例另一方面提供一种测量方法，使用上面所述的测量系统，所述测量 方法包括：
[0014] 使所述发射天线发射电磁波；
[0015] 将所述中继装置中的所述物体配置为介质样品，以使汇聚至所述中继装置的所述 电磁波部分透过所述介质样品，部分被所述介质样品反射；
[0016] 测量所述发射天线发射的电磁波以及所述透射路接收天线接收的电磁波以获得 传输系数；
[0017] 测量所述发射天线发射的电磁波以及所述反射路接收天线接收的电磁波以获得 反射系数。
[0018] 本发明提供的测量系统及测量方法中，由于中继装置能将透过物体的电磁波汇聚 至透射路接收天线，也能将被物体反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜，因此，整个测量系 统具有两个信号传输通道:透射路和反射路，其中，透射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继 装置、透射路聚焦透镜及透射路接收天线构成，反射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装 置、反射路聚焦透镜及反射路接收天线构成，从而在校准测量系统的过程中，可以分别对透 射路和反射路进行校准，避免了两路同时校准导致的校准难度大的问题。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为本发明实施例一提供的测量系统的结构示意图；
[0021] 图2为本发明实施例二提供的测量系统中透射路的结构示意图；
[0022] 图3为本发明实施例二提供的测量系统中反射路的结构示意图；
[0023] 图4为本发明实施例二提供的测量系统中椭球镜的尺寸设计示意图；
[0024]图5a为本发明实施例二提供的中继装置中试样架的示意图；
[0025]图5b为图5a所示的试样架沿B-B'的剖视图；
[0026] 图6为本发明实施例三提供的测量方法的流程图；
[0027] 图7为本发明实施例四提供的测量方法的流程图；
[0028]图8a为实例1中传输系数幅值的理论值与测量值的对比图；
[0029]图8b为实例1中传输系数相位的理论值与测量值的对比图；
[0030]图9为实例2中传输系数、反射系数的理论值与测量值的对比图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032] 实施例1
[0033]图1为本发明实施例一提供的测量系统的结构示意图，如图1所示，该测量系统用 于测量物体11的信号传输性能，且该测量系统包括:发射天线12、主路聚焦透镜13、中继装 置14、透射路聚焦透镜15、反射路聚焦透镜16、透射路接收天线17及反射路接收天线18。 [0034]其中，发射天线12用于发射电磁波。在毫米波波段，电磁波的波长为10~1毫米，频 率为30~300吉赫。在亚毫米波波段，电磁波的波长为1~0.1毫米，频率为300~3000吉赫。 本实施例提供的发射天线发射的电磁波并不限于毫米波波段或亚毫米波波段，可以是本领 域技术人员所知的其它任何波段。图1中测量系统各相邻组件之间的虚线表示电磁波的传 输范围，实线箭头表示电磁波传输的方向。
[0035] 主路聚焦透镜13,用于将获得的电磁波汇聚至中继装置。由发射天线12发射的电 磁波沿着指定的路线传输至主路聚焦透镜13,借助主路聚焦透镜13对电磁波的汇聚作用， 主路聚焦透镜13将获得的电磁波汇聚至中继装置。此处所说的"获得的电磁波"是指由于电 磁波在指定路线中传输的过程中可能会受到阻挡或干扰而有部分衰减，使得到达主路聚焦 透镜13的电磁波与发射天线12发射的电磁波可能存在不同，因此用"获得的电磁波"来表示 到达主路聚焦透镜13的电磁波。
[0036] 中继装置14包括物体11，并用于将透过该物体11的电磁波传输至透射路聚焦透镜 15,和/或将被物体11反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜16。中继装置作为物体11的载 体，使得物体11可以接收到主路聚焦透镜13汇聚来的电磁波。物体11的材料决定了电磁波 是被全部透射、部分透射部分反射，还是全部反射。被透射的电磁波按照指定的路线传输至 透射路聚焦透镜15,而被反射的电磁波按照指定的路线传输至反射路聚焦透镜16。
[0037] 透射路聚焦透镜15用于将获得的电磁波汇聚至透射路接收天线17。透过物体11的 电磁波沿着指定的路线传输至透射路聚焦透镜15,借助透射路聚焦透镜15对电磁波的汇聚 作用，透射路聚焦透镜15将获得的电磁波汇聚至透射路接收天线17。此处所说的"获得的电 磁波"是指由于电磁波在指定路线中传输的过程中可能会受到阻挡或干扰而有部分衰减， 使得到达透射路聚焦透镜15的电磁波与透过物体11的电磁波可能存在不同，因此用"获得 的电磁波"来表示到达透射路聚焦透镜15的电磁波。
[0038] 反射路聚焦透镜16用于将获得的电磁波汇聚至反射路接收天线18。被物体11反射 的电磁波沿着指定的路线传输至反射路聚焦透镜16,借助反射路聚焦透镜16对电磁波的汇 聚作用，反射路聚焦透镜16将获得的电磁波汇聚至反射路接收天线18。此处所说的"获得的 电磁波"是指由于电磁波在指定路线中传输的过程中可能会受到阻挡或干扰而有部分衰 减，使得到达发布射路聚焦透镜16的电磁波与被物体11反射的电磁波可能存在不同，因此 用"获得的电磁波"来表示到达反射路聚焦透镜16的电磁波。
[0039] 使用该测量系统对物体进行测量时，发射天线12发射的电磁波经过主路聚焦透镜 13、物体11及透射路聚焦透镜15,最终到达透射路接收天线17,形成透射路，然后根据发射 天线12发射的电磁波和透射路接收天线17接收的电磁波，可以测量得到物体11的传输系数 S21。另外，发射天线12发射的电磁波经过主路聚焦透镜13、物体11及反射路聚焦透镜16,最 终到达反射路接收天线18,形成反射路，然后根据发射天线12发射的电磁波和反射路接收 天线18接收的电磁波，可以测量得到物体11的反射系数S11。同样地，在校准时，根据发射天 线12发射的电磁波和透射路接收天线17接收的电磁波可以单独对透射路进行校准，根据发 射天线12发射的电磁波和反射路接收天线18接收的电磁波可以单独对反射路进行校准。
[0040] 根据测量获得的传输系数S21可以使用现有的反演方法计算获得物体的介电常 数。
[0041 ]本实施例提供的测量系统中，由于中继装置能将透过物体的电磁波汇聚至透射路 接收天线，也能将被物体反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜，因此，整个测量系统具有两 个信号传输通道:透射路和反射路，其中，透射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装置、透 射路聚焦透镜及透射路接收天线构成，反射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装置、反射 路聚焦透镜及反射路接收天线构成，从而在校准测量系统的过程中，可以分别对透射路和 反射路进行校准，避免了两路同时校准导致的校准难度大的问题。
[0042] 实施例二
[0043] 图2为本发明实施例二提供的测量系统中透射路的结构示意图，图3为本发明实施 例二提供的测量系统中反射路的结构示意图。如图2和图3所示，该测量系统用于测量物体 11的信号传输性能，且该测量系统包括:发射天线12、主路聚焦透镜13、中继装置14、透射路 聚焦透镜15、反射路聚焦透镜16、透射路接收天线17及反射路接收天线18。
[0044] 上述的各组件已在实施例一中进行了详细说明，在此不再赘述。另外，图2和图3中 测量系统各相邻组件之间的虚线表示电磁波的传输范围。
[0045] 下面详细说明各个组件形状、尺寸、种类以及位置需要满足的条件。
[0046] 本实施例提供的测量系统中包含三个透镜:主路聚焦透镜13、透射路聚焦透镜15 和反射路聚焦透镜16,为了简化设计计算量以及系统的制造成本，可以使这三个透镜均采 用椭球镜，且这三个椭球镜的尺寸完全相同。
[0047] 具体地，椭球镜可以满足公另
图4为本发明实施例二提供的测量系 统中椭球镜的尺寸设计示意图。其中，a为椭球镜长轴的半轴长，b为椭球镜短轴的半轴长， 从椭球镜的中心点〇出发沿长轴延伸的轴为Z轴，从中心点0出发沿短轴延伸的轴为X轴，从 中心点0出发沿垂直于X轴和Z轴构成的平面延伸的轴为Y轴，z为Z轴上任一点到中心点0的 距离，X为X轴上任一点到中心点〇的距离，y为Y轴上任一点到中心点〇的距离。
[0048]椭球镜的两个焦点（FI，F2)与椭球镜的顶点T之间的距离分别为RdPR2，且心与1?2 相等，椭球镜的反射面（图4中粗实线表示)直径为D，电磁波的波束A与椭球镜的长轴之间的 夹角为Θ。
[0049] 本实施例提供的测量系统中包含三个天线:发射天线12、透射路接收天线17和反 射路接收天线18,为了简化设计计算量以及系统的制造成本，可以使这三个天线均采用出 射波束相同的喇叭天线，或者均采用出射波束相同的圆口径天线。
[0050] 当采用喇叭天线时，喇叭天线的口径d可以满足公另 其中，λ为电磁波的波长。
[0051] 另外，本实施例中，发射天线12到主路聚焦透镜13的距离可以为心/2,主路聚焦透 镜13到物体11的距离可以为心/2,物体11到透射路聚焦透镜15的距离可以为办/2,透射路聚 焦透镜15到透射路接收天线17的距离可以为心/2,物体11到反射路聚焦透镜16的距离可以 为心/2,反射路聚焦透镜16到反射路接收天线18的距离可以为心/2。通过将各相邻组件之间 的距离设置为相同，可以简化设计，提高测量精度。
[0052]本实施例提供的测量系统中，还可以包括连接有两根同轴电缆(c 1，c2)的矢量网 络分析仪19。矢量网络分析仪19是一种电磁波能量的测试装置，可以用来处理来自外部的 透射波和反射波的幅值和相位。
[0053]本实施例中，如图2所示，当需要对透射路进行校准，或者利用透射路对物体11进 行测量时，两根同轴电缆(cl，c2)分别用于连接发射天线12和透射路接收天线17。也就是 说，同轴电缆cl的一端连接矢量网络分析仪19的一个端口，另一端连接发射天线12,同轴电 缆c2的一端连接矢量网络分析仪19的另一个端口，另一端连接透射路接收天线17。
[0054]如图3所示，当需要对反射路进行校准，或者利用反射路对物体11进行测量时，两 根同轴电缆(cl，c2)分别用于连接发射天线12和反射路接收天线18。也就是说，同轴电缆cl 的一端连接矢量网络分析仪19的一个端口，另一端连接发射天线12，同轴电缆c2的一端连 接矢量网络分析仪19的另一个端口，另一端连接反射路接收天线18。
[0055] 本实施例中，矢量网络分析仪19包含两个端口，透射路和反射路共用矢量网络分 析仪19,在对不同路进行校准和测量前，需要与该路的组件进行连接。当然，矢量网络分析 仪19也可以包含两组接口，每组接口具有两个端口，一组接口可以用来测量透射路电磁波 信号，另一组接口可以用来测量反射路电磁波信号。
[0056] 另外，在使用连接有两根同轴电缆的矢量网络分析仪进行测量系统的校准前，需 要先对矢量网络分析仪的两个端口进行校准，从而防止在两根同轴电缆中损失的电磁波对 后续的校准精度和测量精度产生不良影响。矢量网络分析仪的端口校准是本领域技术人员 常用的方法，在此不再赘述。
[0057] 根据测量获得的传输系数S21可以使用现有的反演方法计算获得物体的介电常 数。
[0058] 本实施例中，中继装置14所承载的物体11的形式，可以有多种，可以是固体、液体、 也可以是气体。当物体11为液体时，中继装置还可以包括试样架。图5a为本发明实施例二提 供的中继装置中试样架的示意图，图5b为图5a所示的试样架沿B-B'的剖视图。如图5a和图 5b所示，试样架由具有指定介电常数的材料制成，用于盛放液体。可以是图中所示的正方形 槽，槽中可盛放液体。具体地，该试样架可以是由两块透明的正方形介质板51形成，介质板 51的三个相邻的边缘设置有密封圈53,防止液体渗漏。介质板51具有指定的介电常数，这样 在测得装有待测液体的试样架的介电常数后，根据介质板的指定介电常数而获得待测液体 的介电常数。图5a中虚线圆形52的半径为高斯波束宽度的两倍，为了保证到达中继装置14 的电磁波能全部进入物体，正方形介质板51的边长要大于虚线圆形52的直径。
[0059] 本实施例提供的测量系统中，由于中继装置能将透过物体的电磁波汇聚至透射路 接收天线，也能将被物体反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜，因此，整个测量系统具有两 个信号传输通道:透射路和反射路，其中，透射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装置、透 射路聚焦透镜及透射路接收天线构成，反射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装置、反射 路聚焦透镜及反射路接收天线构成，从而在校准测量系统的过程中，可以分别利用矢量网 络分析仪对透射路和反射路进行校准，避免了两路同时校准导致的校准难度大的问题。
[0060] 另外，通过设计测量系统中透镜的形状、尺寸，天线的形状、尺寸以及各组件之间 的距离，可以使测量系统的设计计算量大大减小，从而降低了设计复杂度，降低的制作成 本，同时也可以降低测量过程中的操作难度，并提高测量精度。
[0061 ] 实施例三
[0062]图6为本发明实施例三提供的测量方法的流程图，该测量方法使用了上述实施例 描述的测量系统，如图1至图6所示，该测量方法包括如下步骤。
[0063]步骤601、使发射天线12发射电磁波。
[0064]发射天线12发射的电磁波通过主路聚焦透镜13汇聚至中继装置14。
[0065] 步骤602、将中继装置14中的物体11配置为介质样品，以使汇聚至中继装置14的电 磁波部分透过该介质样品，部分被该介质样品反射。
[0066] 具体地，作为物体11的载体，中继装置14使得物体11可以接收到主路聚焦透镜13 汇聚来的电磁波。物体11的材料决定了电磁波是被全部透射、部分透射部分反射，还是全部 反射。被透射的电磁波按照指定的路线传输至透射路聚焦透镜15,而被反射的电磁波按照 指定的路线传输至反射路聚焦透镜16。介质样品的形式可以有多种，如固体、气体，或者液 体。
[0067]步骤603、测量发射天线12发射的电磁波以及透射路接收天线17接收的电磁波以 获得传输系数。
[0068]具体地，可以根据发射天线12发射的电磁波和透射路接收天线17接收的电磁波， 测量得到物体11的传输系数S21，这个系数可以使用矢量网络分析仪19来测量得到。
[0069]步骤604、测量发射天线12发射的电磁波以及反射路接收天线18接收的电磁波以 获得反射系数。
[0070] 具体地，可以根据发射天线12发射的电磁波和反射路接收天线18接收的电磁波， 测量得到物体11的反射系数S11，这个系数可以使用矢量网络分析仪19来测量得到。
[0071] 步骤603和步骤604的顺序不限于以上描述的内容，可以先执行步骤604,再执行步 骤603 〇
[0072] 根据测量获得的传输系数S21可以使用现有的反演方法计算获得物体的介电常 数。
[0073]本实施例提供的测量方法中，由于所使用的测量系统中的中继装置能将透过物体 的电磁波汇聚至透射路接收天线，也能将被物体反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜，因 此，整个测量系统具有两个信号传输通道:透射路和反射路，通过测量透射路中发射天线发 射的电磁波以及透射路接收天线接收的电磁波，可以获得传输系数，通过测量反射路中发 射天线发射的电磁波以及反射路接收天线接收的电磁波，从而在校准测量系统的过程中， 可以分别对透射路和反射路进行校准，避免了两路同时校准导致的校准难度大的问题。 [0074]实施例四
[0075]图7为本发明实施例四提供的测量方法的流程图。
[0076]本实施例在实施例三的基础上增加了校准过程，以避免测量系统中各组件尺寸、 位置上的偏差对测结果的不良影响。如图1至图7所示，该测量方法包括如下步骤。
[0077]步骤701、将两根同轴电缆(cl，c2)分别连接在矢量网络分析仪19的两个端口上。 [0078]具体地，矢量网络分析仪19是一种电磁波能量的测试装置，可以用来处理来自外 部的透射波和反射波的幅值和相位。使用矢量网络分析仪19时，需要在矢量网络分析仪19 的两个端口上各连接一根同轴电缆(c 1，c2)。
[0079]步骤702、对矢量网络分析仪19进行端口校准。
[0080]具体地，在使用连接有两根同轴电缆的矢量网络分析仪前，需要先对矢量网络分 析仪的两个端口进行校准，从而防止在两根同轴电缆中损失的电磁波对后续的测量精度产 生不良影响。矢量网络分析仪的端口校准是本领域技术人员常用的方法，在此不再赘述。 [0081 ]步骤703、使发射天线12发射电磁波。
[0082]发射天线12发射的电磁波通过主路聚焦透镜13汇聚至中继装置14。
[0083]步骤704、将中继装置14中的物体11配置为空气，以使汇聚至中继装置14的电磁波 全部透过空气。
[0084]具体地，将物体11配置为空气，也就是将物体11从中继装置14上取出，使得到达中 继装置14的电磁波不受阻挡地直接穿过中继装置14,沿着透射路传输。
[0085]步骤705、将两根同轴电缆(cl，c2)分别连接发射天线12和透射路接收天线17,利 用矢量网络分析仪19测量发射天线12发射的电磁波以及透射路接收天线17接收的电磁波 以获得传输校准系数。
[0086] 具体地，通过使用矢量网络分析仪19可以测量在物体为空气、电磁波全部透射的 情况下，物体的传输系数。这个传输系数作为透射路的传输校准系数，用于后续进行介质样 品的测量时，对获得的传输系数进行校准。
[0087] 步骤706、将中继装置14中的物体11配置为全反射板，以使汇聚至中继装置14的电 磁波全部被全反射板反射。
[0088] 具体地，全反射板的作用是使到达中继装置14的电磁波全部被反射，使得电磁波 沿着反射路传输。
[0089] 步骤707、将两根同轴电缆分别连接发射天线12和反射路接收天线18,利用矢量网 络分析仪19测量发射天线12发射的电磁波以及反射路接收天线19接收的电磁波以获得反 射校准系数。
[0090] 具体地，通过使用矢量网络分析仪19可以测量在物体为全反射板、电磁波全部反 射的情况下，物体的传输系数。这个传输系数作为反射路的传输校准系数，用于后续进行介 质样品测量时对获得的反射系数进行校准。
[0091] 步骤704和步骤705为测量传输校准系数的步骤，步骤706和步骤707为测量反射校 准系数的步骤，也可以先执行测量反射校准系数的步骤，然后再执行测量传输校准系数的 步骤。
[0092] 步骤708、将中继装置14中的物体11配置为介质样品，以使汇聚至中继装置14的电 磁波部分透过介质样品，部分被介质样品反射。
[0093] 具体地，通过测量介质样品，不仅可以获得该介质样品的传输系数和反射系数，还 可以通过传输系数和反射系数反演获得该介质样品的介电常数，
[0094]步骤709、将两根同轴电缆(cl，c2)分别连接发射天线12和透射路接收天线17,利 用矢量网络分析仪19并基于传输校准系数测量发射天线12发射的电磁波以及透射路接收 天线17接收的电磁波以获得校准后的传输系数。
[0095]具体地，两根同轴电缆(cl，c2)分别连接发射天线12和透射路接收天线17，即，同 轴电缆c 1的一端连接矢量网络分析仪19的一个端口，另一端连接发射天线12，同轴电缆c2 的一端连接矢量网络分析仪19的另一个端口，另一端连接透射路接收天线17。
[0096]矢量网络分析仪19通常具有归一化功能，利用该功能，在步骤705中测量获得的传 输校准系数会存储在矢量网络分析仪19中，当进行介质样品的传输系数测量时，矢量网络 分析仪19会基于传输校准系数对测量获得的传输系数进行校准，从而获得校准后的传输系 数。
[0097]步骤710、将两根同轴电缆(cl，c2)分别连接发射天线12和反射路接收天线18,利 用矢量网络分析仪19并基于反射校准系数测量发射天线12发射的电磁波以及反射路接收 天线18接收的电磁波以获得校准后的反射系数。
[0098]同样地，两根同轴电缆(cl，c2)分别连接发射天线12和反射路接收天线18，即，同 轴电缆c 1的一端连接矢量网络分析仪19的一个端口，另一端连接发射天线12，同轴电缆c2 的一端连接矢量网络分析仪19的另一个端口，另一端连接反射路接收天线18。
[0099] 利用矢量网络分析仪19的归一化功能，在步骤707中测量获得的反射校准系数会 存储在矢量网络分析仪19中，当进行介质样品的反射系数测量时，矢量网络分析仪19会基 于反射校准系数对测量获得的反射系数进行校准，从而获得校准后的反射系数。
[0100] 步骤709和步骤710的执行顺序不限于上面的描述，也可以是先执行步骤710再执 行步骤709。
[0101] 根据测量获得的传输系数S21可以使用现有的反演方法计算获得物体的介电常 数。
[0102] 本实施例提供的测量方法中，由于中继装置能将透过物体的电磁波汇聚至透射路 接收天线，也能将被物体反射的电磁波传输至反射路聚焦透镜，因此，整个测量系统具有两 个信号传输通道:透射路和反射路，其中，透射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装置、透 射路聚焦透镜及透射路接收天线构成，反射路由发射天线、主路聚焦透镜、中继装置、反射 路聚焦透镜及反射路接收天线构成，从而在校准测量系统的过程中，可以分别利用矢量网 络分析仪对透射路和反射路进行校准，避免了两路同时校准导致的校准难度大的问题。
[0103] 另外，在测量过程中利用了矢量网络分析仪的归一化功能，可以存储校准过程中 测量的结果，从而在测量介质样品时，可以对测量结果进行自动校准，不仅提高了测量结果 的准确性，还降低了校准的难度。
[0104] 实施例五
[0105] 本实施例中，通过两个实例验证实施例二中描述的测量系统的准确性。测量系统 的尺寸参数采用下表中的数值。
[0106]
[0107]实例 1:
[0108]介质样品为单片石英硼化玻璃，图8a为实例1中传输系数幅值的理论值与测量值 的对比图，图8b为实例1中传输系数相位的理论值与测量值的对比图。图8a和图8b坐标系的 横轴表示发射天线发射的电磁波的频率，图8a坐标系的纵轴表示幅值的数值，图8b坐标系 的纵轴表示相位的数值。
[0109] 从图中可以看出，传输系数的测量值与理论值相差很小，例如在电磁波频率为 90GHz时，介电常数幅值的测量值(为-2.19dB)与理论值(为-2.181dB)只相差0.009dB，而相 位的测量值（106.8度)与理论值(为107.1度）只相差0.3度。根据以上各个实施例的描述，介 电常数是根据测量得到的传输系数S21反演后获得。因此，根据图8a和图8b中的测量结果， 可以反演获得单片石英硼化玻璃的介电常数测量值为4.4-0.066j，而在图示的电磁波频率 范围内，单片石英硼化玻璃的介电常数理论值为4.46-0.017j，相差非常小，所以，可以表明 该测量系统及测量方法的有效性。
[0110] 实例2:
[0111] 介质样品为双层缝隙结构的频率选择表面，图9为实例2中传输系数、反射系数的 理论值与测量值的对比图。其中的理论值是使用商业仿真软件CST进行仿真后获得。图例 中，S21仿真表示传输系数的理论值，S21测试表示传输系数的测量值，S11仿真表示反射系 数的理论值，S11测试表不反射系数的测量值。坐标系的横轴表不发射天线发射的电磁波的 频率，纵轴表示传输系数或反射系数的数值。
[0112] 从图中可以看出，传输系数S21的测量值与理论值比较接近，其频率偏差度和插入 损耗的偏差都比较小，因此相对比较准确。另外，反射系数S11的测量值与理论值的偏差度 相对大一些，但考虑到反射系数S11的信号强度比较小，容易受到噪声的干扰，因此测量值 与理论值有较大偏差属于正常，而且从图中可以看出该方法在反射系数为_15dB以下仍然 有比较好的可信度。
[0113] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1. 一种测量系统，用于测量物体的信号传输性能，其特征在于，包括： 发射天线，用于发射电磁波； 主路聚焦透镜，用于将获得的所述电磁波汇聚至中继装置； 所述中继装置，包括所述物体，并用于将透过所述物体的所述电磁波传输至透射路聚 焦透镜，和/或将被所述物体反射的所述电磁波传输至反射路聚焦透镜； 所述透射路聚焦透镜，用于将获得的所述电磁波汇聚至透射路接收天线； 所述反射路聚焦透镜，用于将获得的所述电磁波汇聚至反射路接收天线。2. 根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述主路聚焦透镜、所述透射路聚焦 透镜和所述反射路聚焦透镜均采用楠球镜； 所述楠球镜满足公廷中，a为所述楠球镜长轴的半轴长，b为所述楠球 镜短轴的半轴长，从所述楠球镜的中屯、点出发沿所述长轴延伸的轴为Z轴，从所述中屯、点出 发沿所述短轴延伸的轴为X轴，从所述中屯、点出发沿垂直于所述X轴和所述Z轴构成的平面 延伸的轴为Y轴，Z为所述Z轴上任一点到所述中屯、点的距离，X为所述X轴上任一点到所述中 屯、点的距离，所述y为所述Y轴上任一点到所述中屯、点的距离； 所述楠球镜的两个焦点与所述楠球镜的顶点之间的距离分别为Ri和R2,且Ri与R2相等， 所述楠球镜的反射面直径为D，所述电磁波的波束与所述楠球镜的长轴之间的夹角为Θ。3. 根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述发射天线、所述透射路接收天线 和所述反射路接收天线均采用出射波束相同的卿趴天线； 所述卿趴天线的口径d满足公式?中，所述λ为所述电 磁波的波长。4. 根据权利要求2或3所述的测量系统，其特征在于，所述发射天线到所述主路聚焦透 镜的距离为化/2,所述主路聚焦透镜到所述物体的距离为Ri/2,所述物体到透射路聚焦透镜 的距离为化/2,所述透射路聚焦透镜到所述透射路接收天线的距离为化/2,所述物体到所述 反射路聚焦透镜的距离为Ri/2,所述反射路聚焦透镜到所述反射路接收天线的距离为化/2。5. 根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括的连接有两根同轴电缆的矢量 网络分析仪，所述两根同轴电缆分别用于连接所述发射天线和所述透射路接收天线，或者 分别用于连接所述发射天线和所述反射路接收天线。6. 根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述物体为液体时，所述中继装置还 包括试样架，所述试样架由具有指定介电常数的材料制成，用于盛放所述液体。7. -种测量方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的测量系统，所述测量方 法包括： 使所述发射天线发射电磁波； 将所述中继装置中的所述物体配置为介质样品，W使汇聚至所述中继装置的所述电磁 波部分透过所述介质样品，部分被所述介质样品反射； 测量所述发射天线发射的电磁波W及所述透射路接收天线接收的电磁波W获得传输 系数； 测量所述发射天线发射的电磁波w及所述反射路接收天线接收的电磁波w获得反射 系数。8. 根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在使所述发射天线发射电磁波之后， 并在将所述中继装置中的所述物体配置为介质样品之前，还包括： 将所述中继装置中的所述物体配置为空气，W使汇聚至所述中继装置的所述电磁波全 部透过所述空气； 测量所述发射天线发射的电磁波W及所述透射路接收天线接收的电磁波W获得传输 校准系数； 将所述中继装置中的所述物体配置为全反射板，W使汇聚至所述中继装置的所述电磁 波全部被所述全反射板反射； 测量所述发射天线发射的电磁波W及所述反射路接收天线接收的电磁波W获得反射 校准系数； 所述测量所述发射天线发射的电磁波W及所述透射路接收天线接收的电磁波W获得 传输系数，具体包括:基于所述传输校准系数测量所述发射天线发射的电磁波W及所述透 射路接收天线接收的电磁波W获得校准后的传输系数； 所述测量所述发射天线发射的电磁波W及所述反射路接收天线接收的电磁波W获得 反射系数，具体包括:基于所述反射校准系数测量所述发射天线发射的电磁波W及所述反 射路接收天线接收的电磁波W获得校准后的反射系数。9. 根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在使所述发射天线发射电磁波之前， 还包括： 将两根同轴电缆分别连接在矢量网络分析仪的两个端口上； 对所述矢量网络分析仪进行端口校准。10. 根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于， 所述测量所述发射天线发射的电磁波W及所述透射路接收天线接收的电磁波W获得 传输系数，具体包括:将所述两根同轴电缆分别连接所述发射天线和所述透射路接收天线； 利用所述矢量网络分析仪测量所述发射天线发射的电磁波W及所述透射路接收天线接收 的电磁波W获得传输系数； 所述测量所述发射天线发射的电磁波W及所述反射路接收天线接收的电磁波W获得 反射系数，具体包括:将所述两根同轴电缆分别连接所述发射天线和所述反射路接收天线； 利用所述矢量网络分析仪测量所述发射天线发射的电磁波W及所述反射路接收天线接收 的电磁波W获得反射系数。
【文档编号】G01R27/26GK105974201SQ201610287233
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】刘小明, 俞俊生, 陈晓东, 姚远, 亓丽梅, 陈智娇, 王海, 单广帅, 许仁杰
【申请人】北京邮电大学