一种吸波材料反射测量装置和方法与流程

本申请涉及电磁场技术领域，尤其涉及一种对吸波材料进行测量的装置和方法。

背景技术：

近年来随着电磁兼容测量技术及天线测量技术的快速发展，对电磁兼容暗室及天线测量暗室的需求日益增多。为了减小电磁兼容测量及天线测量过程存在的多路径反射，电磁兼容暗室及天线暗室的内壁和天花板上或者所有的壁面上均贴有射频吸波材料。射频吸波材料能够吸收、衰减投射到它表面的射频电磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失。由于射频吸波材料性能直接影响电磁兼容暗室及天线暗室性能，因此为了保证暗室场地性能和测量环境满足实际使用要求，在暗室建造过程中需要对所用的射频吸波材料的性能进行测试和评估。射频吸波材料对电磁波的吸收、衰减性能通过射频吸波材料反射率来表征，因此在射频吸波材料出厂前，吸波材料厂家会对其反射率进行测量。现有的射频吸波材料反射率测量方法中，数据处理过程需要将频域曲线变换为时域曲线，利用矢量网络分析仪的时域门功能将收发天线之间直接耦合信号及其它环境反射信号滤除掉之后，再由时域曲线变换为频域曲线。在该数据处理过程中，需要在频域扫描过程中采集足够多的频点以得到精确的时域信息，同时在两次时频变换过程中还会存在变换的截断误差，会对射频吸波材料反射率的测量结果产生影响。

技术实现要素：

本发明提出一种吸波材料反射测量装置和方法，减小数据时频域变换造成的测试误差。

本申请实施例提供一种吸波材料反射测量装置，包括发射天线、接收天线、拱形架、时域脉冲发生器、时域脉冲接收机、良导体板；所述拱形架的拱形围绕所述良导体板的中心、拱形所在平面和所述良导体板平面垂直；所述接收天线和所述发射天线对称地放置于拱形架上，所述发射天线和接收天线在所述拱形架上的位置可调；所述发射天线口面法线方向可调；所述接收天线口面法线方向可调；所述时域脉冲发生器输出端与所述发射天线相连，用于产生时域脉冲、激励所述发射天线；所述时域脉冲接收机输入端与所述接收天线相连，用于接收时域信号；所述发射天线，用于向所述良导体板发出电磁波；所述接收天线，用于接收所述良导体板反射的电磁波；所述良导体板，用于反射电磁波；所述良导体板面向所述发射天线和接收天线的一面，还用于铺设吸波材料，制成吸波材料板。

优选地，所述良导体板、或吸波材料板，能够沿其自身法线方向前后平移。

本申请实施例还提供一种吸波材料反射测量方法，用于本申请任意一项装置，包含以下步骤：

将发射天线和接收天线对称地放置于拱形架上，使接收天线口面法线和被测的吸波材料板的法线之间形成第一夹角，发射天线口面法线和被测的吸波材料板的法线之间形成第二夹角，第一夹角和第二夹角相等；

用时域脉冲发生器产生时域脉冲信号，激励发射天线向被测吸波材料板发出电磁波，反射电磁波经由接收天线进入时域脉冲接收机，得到接收信号波形；

使用时间窗，从所述接收信号波形中选出被测吸波材料时域反射信号；

将所述吸波材料时域反射信号进行时频域处理，得到吸波材料频域反射波形。

进一步地，本申请的方法还包含以下步骤：

用良导体板代替所述吸波材料板；

用时域脉冲发生器产生时域脉冲信号，激励发射天线向被测良导体板发出电磁波，反射电磁波经由接收天线进入时域脉冲接收机，得到接收信号波形；

使用时间窗，从所述接收信号波形中选出被测良导体板时域反射信号；

将所述良导体板时域反射信号进行时频域处理，得到良导体板频域反射波形。

进一步地，本申请的方法还包含以下步骤：用所述吸波材料频域反射波形和所述良导体板频域反射波形，计算被测吸波材料反射率。

优选地，本发明的方法中，改变所述发射天线和接收天线在所述拱形架上的位置，改变所述第一夹角和第二夹角，重复所述步骤。

优选地，本发明的方法中，所述时域脉冲信号的上升时间小于19.4ps。

优选地，本发明的方法中，所述发射电线和所述接收天线为线极化天线；分别在水平极化和垂直极化两种情形下，重复所述步骤。

优选地，本发明的方法中，沿所述吸波材料板或所述良导体板法线方向前后移动所述吸波材料板或所述良导体板，重复所述步骤。

优选地，所述时频域处理的方法，是使用kaiser窗对时间窗进行加权，再进行快速傅里叶变换得出所述吸波材料频域波形或良导体板频域波形。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本发明提出的吸波材料反射测量装置和测量方法可解决矢量网络分析仪测试方法的不足，该方法在不需要矢量网络分析仪的同时，根据射频吸波材料反射率定义，利用时域脉冲发生器与脉冲接收设备组合，通过时域脉冲信号的发射与接收过程，由脉冲接收设备收到不同到达时间的时域信号来获得射频吸波材料反射信号，从而避免了上述方法中的频域曲线到时域曲线的变换过程，可有效降低时频变换过程中的截断误差，提高射频吸波材料反射率的测量结果准确度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为传统的矢量网络分析仪测量装置示意图；

图2为传统的矢量网络分析仪测量接收曲线示意图；

图2a为曲线1(频域)；

图2b为曲线2(曲线1变换到时域)；

图2c为曲线3(曲线2经过时域门处理)；

图2d为曲线4(曲线3变换到频域)；

图3为本发明的吸波材料反射测量装置示意图；

图4为本发明的吸波材料反射测量方法步骤流程图；

图5为本方测量方法时域接收信号波形示意图；

图5a为实际接收信号波形和时间窗选择示意图；

图5b为将时间窗选择时域信号变换到频域波形。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

射频吸波材料反射率表征为不同吸波材料对不同频率电磁波的反射损耗，其定义为在给定波长和极化的条件下，电磁波从同一方向，分别以同一功率密度入射到被测射频吸波材料和同尺寸良导体金属平板上，两者镜面方向反射功率的比值。根据射频吸波材料反射率的定义，在进行材料反射率测量时，需要进行两次测量，一次是测量电磁波由被测射频吸波材料反射的信号，另一次是电磁波由同尺寸良导体金属平板反射的信号，有：

Γ＝20log(E₁/E₀) 公式1

变换为dB表示如下：

Γ(dB)＝E₁(dB)-E₀(dB) 公式2

其中：Γ—被测射频吸波材料反射率；E₁—被测射频吸波材料反射的信号；E₀—良导体金属平板反射的信号。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为传统的矢量网络分析仪测量装置示意图。装置包括拱形架装置、发射天线、接收天线、矢量网络分析仪及控制计算机等。矢量网络分析仪的输出端与发射天线相连接，激励的信号经被测射频吸波材料或良导体金属板反射后再由接收天线所接收，并送入与之相连的矢量网络分析仪的输入端；发射天线与接收天线可以在拱形架上独立地移动且均指向圆心；被测射频吸波材料的反射信号与良导体金属板的反射信号之比即为被测射频吸波材料的反射率。

图2为传统的矢量网络分析仪测量方法接收曲线示意图。接收天线接收到的信号除了包含吸波材料及金属板的反射信号外，还包括发射、接收天线之间的直接耦合信号、拱形架及周围环境的反射信号等。需要将矢量网络分析仪输入端接收到的频域曲线变换到时域，根据接收的时域信号不同的到达时间，采用矢量网络分析仪的时域门功能将被测吸波材料反射信号分离出来，再将经过时域门处理后的时域信号变换到频域。其典型应用数据处理过程图形如图2a～d所示。图2a为曲线1(频域)；图2b为曲线2(曲线1变换到时域)；图2c为曲线3(曲线2经过时域门处理)；图2d为曲线4(曲线3变换到频域)。

图3为本发明的吸波材料反射测量装置示意图。本申请实施例提供一种吸波材料反射测量装置，包括发射天线1、接收天线2、拱形架3、时域脉冲发生器4、时域脉冲接收机5、良导体板6；所述拱形架的拱形围绕所述良导体板的中心、拱形所在平面和所述良导体板平面垂直；所述接收天线和所述发射天线对称地放置于拱形架上，所述发射天线和接收天线在所述拱形架上的位置可调；所述发射天线口面法线方向可调；所述接收天线口面法线方向可调；所述时域脉冲发生器输出端与所述发射天线相连，用于产生时域脉冲、激励所述发射天线；所述时域脉冲接收机输入端与所述接收天线相连，用于接收时域信号；所述发射天线，用于向所述良导体板发出电磁波；所述接收天线，用于接收所述良导体板反射的电磁波；所述良导体板，用于反射电磁波；所述良导体板面向所述发射天线和接收天线的一面，还用于铺设吸波材料7，制成吸波材料板。

优选地，所述良导体板、或吸波材料板，能够沿其自身法线方向前后平移。

所述装置工作时，首先由接收、发射天线对准被测射频吸波材料表面，由时域脉冲发生器产生一个时域脉冲信号，经过发射天线向空间辐射电磁波，经由被测射频吸波材料或良导体金属板反射后，由接收天线接收进入时域脉冲接收机。最佳地，使用计算机8控制所述时域脉冲信号的收发，得到被测射频吸波材料或良导体金属板的反射信号，进而获得被测吸波材料反射率。

图4为本发明的吸波材料反射测量方法步骤流程图。本申请实施例还提供一种吸波材料反射测量方法，用于本申请任意一项装置，包含以下步骤：

步骤10、将发射天线和接收天线对称地放置于拱形架上，使接收天线口面法线和被测的吸波材料板的法线之间形成第一夹角A1，发射天线口面法线和被测的吸波材料板的法线之间形成第二夹角A2，第一夹角和第二夹角相等；

步骤20、用时域脉冲发生器产生时域脉冲信号，激励发射天线向被测吸波材料板发出电磁波，反射电磁波经由接收天线进入时域脉冲接收机，得到接收信号波形；

步骤30、使用时间窗，从所述接收信号波形中选出被测吸波材料时域反射信号；由于多径时域信号各部分到达接收天线的时间不同，根据其时间的先后顺序使用时间窗进行信号分离，从而获得被测设备吸波材料反射信号，具体见图5的说明。

步骤40、将所述吸波材料时域反射信号进行时频域处理，得到吸波材料频域反射波形。

进一步地，本申请的方法还包含以下步骤：

步骤50、用良导体板代替所述吸波材料板；

步骤60、用时域脉冲发生器产生时域脉冲信号，激励发射天线向被测良导体板发出电磁波，反射电磁波经由接收天线进入时域脉冲接收机，得到接收信号波形；

步骤70、使用时间窗，从所述接收信号波形中选出被测良导体板时域反射信号；

步骤80、将所述良导体板时域反射信号进行时频域处理，得到良导体板频域反射波形。

进一步地，本申请的方法还可包含以下步骤：

步骤90、用所述吸波材料频域反射波形和所述良导体板频域反射波形，计算被测吸波材料反射率。

优选地，本发明的方法中，改变所述发射天线和接收天线在所述拱形架上的位置，改变所述第一夹角A1和第二夹角A2，重复所述步骤10～步骤90。

优选地，本发明的方法中，所述发射电线和所述接收天线为线极化天线；分别在水平极化和垂直极化两种情形下，重复所述步骤10～步骤90。需要说明的是，由于射频吸波材料反射率的表征通常分为垂直极化和水平极化两种情形，因此本方案中进行射频吸波材料反射率的时域测量时，需要采用线极化天线，分别在垂直极化和水平极化两种情形下进行测量。

图5为本发明的测量方法时域接收信号波形示意图。在获得被测射频吸波材料或良导体金属板反射信号的过程中，需要将所需吸波材料板时域反射信号或良导体板时域反射信号与收发天线直接耦合信号、拱形架及周围环境反射信号分离开来。由于本发明使用的测量信号为时域脉冲信号，因此接收天线送入脉冲接收设备的信号为时域信号。由于各部分多径时域信号到达接收天线的时间不同，可以根据其时间的先后顺序进行信号分离，从而获得被测设备吸波材料或良导体金属板反射信号。根据上述测量过程得到被测射频吸波材料的反射信号及良导体金属板反射信号之后，由于反射率测量结果通常是以频谱曲线的方式表示的，因此，时域反射信号需要变换到频域，通过公式2计算得到被测射频吸波材料反射率Γ，其数据处理流程图如图5所示，图5a为实际接收信号波形和时间窗选择示意图；图5b为将时间窗选择时域信号变换到频域波形。其中，依次为周围环境反射信号r1、吸波材料时域反射信号r2、周围环境多次反射信号r3，通过设定时间窗W，从接收的时域信号中提取出吸波材料时域反射信号。

优选地，本发明的方法中，所述时域脉冲信号的上升时间小于19.4ps。需要说明的是，由于射频吸波材料应用于电磁兼容暗室，电磁兼容暗室吸波材料的使用频率范围为30MHz～18GHz，因此为了测量射频吸波材料在18GHz频率处的反射率，测量中所使用的时域脉冲信号在转换到频域时可以覆盖到18GHz频率。根据时域脉冲上升时间与所覆盖频率带宽之间的关系式BW＝0.35/t_r可以得到，为了覆盖18GHz频率范围，本方案中需要使用上升时间t_r小于19.4ps的时域脉冲信号。其中BW表示频率带宽，单位为GHz，t_r表示脉冲上升时间，单位为ns。

优选地，本发明的方法中，沿所述吸波材料板或所述良导体板法线方向前后移动所述吸波材料板或所述良导体板，重复所述步骤10～步骤90。需要说明的是，如图5所示，在时域脉冲接收设备接收到的信号中，包括收发天线直接耦合信号，被测射频吸波材料或金属板反射信号以及其它杂散反射信号。在时域门的选择过程中，上下移动被测射频吸波材料或金属板会导致被测材料或金属板与接收天线距离发生变化，从而在时域脉冲接收设备接收到的信号中，被测材料或金属板反射信号部分会随着距离的变化而到达时间变化，在如图5所示的接收信号曲线中，表现为方框范围内的信号会在时间轴上左右移动，可根据左右移动的被测材料或金属板反射信号来确定时域门的宽度，如图5所示方框范围以内。

优选地，所述时频域处理的方法，是使用kaiser窗对时间窗进行加权，再进行快速傅里叶变换得出所述吸波材料频域波形或良导体板频域波形。需要说明的是，时频域转换过程中，需要选择合适的时间窗函数来进行变换。在变换过程中，首先选择矩形窗函数对时域信号波形进行截取；由于直接进行FFT变换相当于整个时域信号加矩形窗后进行变换，而矩形窗函数的频谱分量中副瓣能量较大，会对时域信号波形频谱分量引入较大干扰，而kaiser窗具有最大旁瓣抑制，对时域信号波形频谱分量引入的干扰最小，因此在整个时域信号内加kaiser窗，具体方法是首先用矩形窗函数截取时域波形，然后用kaiser窗对时域数据加权乘积，再将时域信号波形进行FFT变换得到频域信号。

因此，本方法根据射频吸波材料反射率定义，利用时域脉冲发生器与脉冲接收设备组合，通过时域脉冲信号的发射与接收过程，由脉冲接收设备收到不同到达时间的时域信号来获得射频吸波材料反射信号，从而避免了频域曲线到时域曲线的变换过程，可有效降低时频变换过程中的截断误差，提高射频吸波材料反射率的测量结果准确度。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。