一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法

本发明属于电磁波测量领域，具体涉及一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法。

背景技术：

0、技术背景

1、无源射频阵列可以实现对电磁波束的调控，广泛应用于通信、电磁测量、雷达等领域。在实际应用中，由于加工误差或材料缺陷等原因，会导致阵列性能恶化，影响射频阵列的正常功能。为保证实际应用的准确性，在无源射频阵列使用前需要测量其辐射特性，诊断其工作状态。通常对于无源射频阵列的性能诊断，可测量其远场辐射特性或频带特性，将测试结果与理论设计进行对比，分析其工作性能。当阵列性能异常时，通过远场辐射特性推断阵列表面结构单元的工作状态需要结合较为复杂的算法，如压缩感知方法(“acompressedsensing based element failure diagnosis method for phased array antennaduring beam steering”，ieee antennas andwireless propagation letters,3(9),1756–1760(2019))。对于具有亚波长结构的无源射频阵列缺少一种直观、高效的测试手段分析其表面结构的辐射特性，进而诊断阵列表面受损区域。

2、本发明中提出了一种利用光电导效应进行无源射频阵列快速测量的系统及方法，能够实现对无源射频阵列表面辐射特性的测量与诊断。在本发明中，将半导体片放置在无源射频阵列的表面，当激光照射在半导体表面上，照射区域的电导率增加形成光生等离子体。根据调制散射理论，半导体片上形成的等离子体可以散射该位置处的待测电磁波，且散射信号的幅度与相位与待测电磁波相关。利用待测无源射频阵列的互易特性，接收等离子体散射的电磁波，从而完成对该位置处的电磁波复信号的测量。移动光束照射位置，即可完成对不同区域的电磁波测量。电磁波的幅度相位分布图像可表征出无源射频阵列表面的辐射特性，成像分辨率取决于光斑的尺寸。由于半导体片放置在阵列表面，等离子体散射场中携带了具有高分辨率的亚波长物理结构信息，因此可以实现高分辨率的成像，观察无源射频单元的亚波长结构细节。本测量方法利用光束在半导体片上快速移动实现高效测量，无需较大的测试场地或紧缩场，且无需结合复杂的算法，可直接、准确地获得无源射频阵列表面场分布，进而诊断阵列表面各个区域的工作状态。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提出了一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，该测量系统利用光束扫描实现高分辨率的无源射频阵列表面的诊断于测试。该测试系统结构紧凑，无需在远场或使用紧缩场的条件下进行测量；测试结果具有高分辨率的亚波长阵列单元结构信息，能够直接对无源射频阵列的工作状态进行评估。

2、为实现上述目的，本发明的具体方案如下：包括半导体片；光源模块；信号激励模块，信号接收处理模块；上位控制模块：

3、所述无源射频阵列为互易性射频阵列，包括但不限于超表面、频率选择表面、无源阵列天线等形式，无源射频阵列中可包括相对应的馈源天线及无源馈电网络；

4、所述半导体片能够产生光电导效应，在受到光照时在其被照射区域可以形成等离子体，产生的等离子体可以散射空间中的电磁波，为散射待测无源射频阵列发射的电磁波，半导体片需放置在待测无源射频阵列表面；

5、所述光源模块包括光源及其控制模块，放置在半导体片另一侧，光源用于出射光束在半导体片上激发出等离子体，其出射光束范围可以覆盖半导体片，控制模块可以控制光源状态及出射光束角度，从而改变光源光束照射在半导体片上的位置；

6、所述信号激励模块与无源射频阵列连接，用于产生射频激励信号；

7、所述信号接收处理模块与待测无源射频阵列连接，用于接收与处理无源射频阵列接收到的待测电磁信号；

8、所述上位控制模块与光源模块、信号激励模块及信号接收处理模块连接，用于发送指令控制光源模块及信号接收处理模块，同步各模块的工作状态，实现自动化快速测量。

9、所述待测无源射频阵列可以为超表面、频率选择表面、无源阵列天线等具有互易性的无源阵列形式，射频阵列中包含相对应的馈源天线或无源馈电网络。

10、所述半导体片具有光电导效应，受到光照后照射区域形成等离子体；其形状可根据待测射频阵列形状制备为平面或曲面。

11、所述光源模块的光源波长在可激发半导体产生等离子体的波长范围内，能够使半导体片上被照射区域生成等离子体，光源形式包括但不限于半导体激光、光纤激光、投影仪等，其控制模块可以控制光源的亮灭情况以及光源发射光束在半导体片上的位置。

12、所述信号激励模块用于产生能够激励射频阵列工作的射频信号，对于带有馈源天线形式的射频阵列，信号激励模块与馈源天线相连接；对于带有无源馈电网络形式的射频阵列，信号激励模块与无源馈电网络相连接。

13、所述信号接收处理模块能够处理待测无源阵列工作频率的电磁信号，且能够从中准确处理出相应的幅度与相位信息，形式不限于矢量网络分析仪、频谱仪、示波器等。

14、所述上位控制模块能够发送指令控制光源模块、信号激励模块及信号接收处理模块，协调光源照射与信号采集流程，同步各个模块的工作进程，实现对无源射频阵列自动化快速测量。

15、其中，使用该系统测量无源射频阵列的方法步骤如下：

16、步骤1：将半导体片放置在待测无源射频阵列表面；

17、步骤2：将光源模块放置在半导体片另一侧，调节光斑位置使其出射光束范围能够覆盖半导体片，通过上位控制模块设置光束扫描范围及步长等参数；

18、步骤3：通过上位控制模块设置信号激励模块及接收处理模块的参数，信号激励模块产生射频激励信号；

19、步骤4：上位机控制模块向光源模块发送指令，光源控制模块控制光源发射光束到扫描范围内起始位置，被照射位置处半导体片产生光电导效应，生成等离子体；

20、步骤5：半导体片上生成的等离子体散射待测无源射频阵列发射的电磁波，散射信号被待测无源射频阵列自身接收，传向信号接收及处理模块；

21、步骤6：信号接收及处理模块将采集到的信号进行处理，得到被照射位置处的电磁复信号；

22、步骤7：重复步骤4-6并改变光源模块出射光束在半导体片的位置，直至覆盖整个扫描区域，获得待测区域内电磁信号的幅相信息，得到待测无源射频阵列的表面电场分布情况，从而进行无源阵列的结构诊断与单元评估。

23、本发明的有益效果为：与常规远场测试方法相比，该测试系统更加直观，能够直接测量出无源射频阵列表面单元的工作状态，进而评估阵列工作特性；结构紧凑，无需在远场或紧缩场条件下进行测试；测试结果具有高分辨率的亚波长阵列单元结构信息，能够反映出阵列表面的物理结构细节；使用光束扫描的方式，提高了测试效率。本发明是一种直观高效的无源射频阵列测量方法。

技术特征：

1.一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：包括半导体片；光源模块；信号激励模块；信号接收处理模块；上位控制模块：

2.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述待测无源射频阵列可以为超表面、频率选择表面、无源阵列天线等具有互易性的无源阵列形式，射频阵列中包含相对应的馈源天线或无源馈电网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述半导体片具有光电导效应，受到光照后照射区域形成等离子体；其形状可根据待测射频阵列形状制备为平面或曲面。

4.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述光源模块的光源波长在可激发半导体产生等离子体的波长范围内，能够使半导体片上被照射区域生成等离子体，光源形式包括但不限于半导体激光、光纤激光、投影仪等，其控制模块可以控制光源的亮灭情况以及光源发射光束在半导体片上的位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述信号激励模块用于产生能够激励射频阵列工作的射频信号，对于带有馈源天线形式的射频阵列，信号激励模块与馈源天线相连接；对于带有无源馈电网络形式的射频阵列，信号激励模块与无源馈电网络相连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述信号接收处理模块能够处理待测无源阵列工作频率的电磁信号，且能够从中准确测量出相应的幅度与相位信息，形式不限于矢量网络分析仪、频谱仪、示波器等。

7.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：所述上位控制模块能够发送指令控制光源模块、信号激励模块及信号接收处理模块，协调光源照射与信号采集流程，同步各个模块的工作进程，实现对无源射频阵列自动化快速测量。

8.根据权利要求1所述的一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法，其特征在于：使用该系统测量无源射频阵列的方法步骤如下：

技术总结
本发明涉及一种基于光电导效应的无源射频阵列快速测量系统及方法。该设计将半导体片放置在阵列表面，利用光电导效应，将光源照射在待测无源射频阵列表面的半导体片上产生等离子体，生成的等离子体散射待测无源射频阵列发射的电磁波，根据无源射频阵列的互易特性接收散射电磁波。通过控制光源系统在待测区域内扫描，即可测量出不同位置的电磁复信号分布，测量的空间分辨率与光斑尺寸相关，通常远小于工作波长，因此可以实现高分辨率的成像，由此对无源阵列的表面亚波长结构及辐射特性进行分析与诊断。本发明系统构成简便，无需在远场或紧缩场条件下测量；测量分辨率高，可直接观测阵列表面的辐射状态；利用光束扫描的方式，可实现高效率测量，是一种直观高效的无源射频阵列测量方法。

技术研发人员：白明,冷凝,粱展健,陈赛
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6