一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置及方法.pdf

本发明提供了一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置，其特征是：导轨13与标尺14固定在一起；介质透镜天线4通过支架11固定在导轨13的一端；红外热成像仪10通过支架12固定于与微波天线4相对的导轨13的另一端；热敏屏8固定在一非金属框架7内，非金属框架7通过一活动支架9置于导轨13上，介于微波天线4与红外热成像仪10之间，该支架9可以在导轨13上滑动并经标尺14指示其位置。采用该装置可以方便地测量出微波介质透镜天线焦斑和焦距的值。

权利要求书
1、  一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置，包括：微波介质透镜天线(4)，其特征是它还包括：热敏屏(8)、红外热成像仪(10)、导轨(13)、标尺(14)。导轨(13)与标尺(14)固定在一起；介质透镜天线(4)通过支架(11)固定在导轨(13)的一端；红外热成像仪(10)通过支架(12)固定于与微波天线(4)相对的导轨(13)的另一端；热敏屏(8)固定在一非金属框架(7)内，非金属框架(7)通过一活动支架(9)置于导轨(13)上，介于微波天线(4)与红外热成像仪(10)之间，该支架(9)可以在导轨(13)上滑动并经标尺(14)指示其位置；调整透镜天线(4)、非金属框架(7)和红外热成像仪(10)，使微波天线(4)、热敏屏(8)和红外热成像仪(10)三者保持在一条直线上。

2、  根据权利要求1所述的一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置，使用该装置测量微波介质透镜天线焦斑焦距的方法，其特征是采用下面的步骤：
步骤1、将活动支架(9)预置于被测微波介质透镜天线(4)理论上设计的焦点位置，记下此时标尺(14)所示活动支架(9)的位置；
步骤2、调节红外热成像仪(10)焦距，使其聚焦在位于活动支架(9)上的热敏屏(8)上；
步骤3、从被测微波介质透镜天线(4)入口(馈入波导(1))馈入功率适中的连续微波，该连续微波波束经被测微波介质透镜天线(4)发射到热敏屏(8)上，热敏屏(8)吸收微波后屏面温度发生变化；
步骤4、红外热成像仪(10)记录热敏屏(8)上的温度分布，得到热敏屏(8)上的热图，通过红外热成像仪数据处理软件将热敏屏(8)上的温度分布转换为入射微波场强分布，并显示出来；
步骤5、由步骤4得到的热敏屏(8)的热图，就可以计算出热敏屏(8)上3分贝焦斑的大小；
步骤6、向被测微波介质透镜天线(4)方向微调活动支架(9)位置M(M为自然数)次，每次微调活动支架(9)位置均重复步骤1～步骤5，记录下每次活动支架(9)位置及其对应的热敏屏(8)上3分贝焦斑大小；
步骤7、向红外热成像仪(10)方向微调活动支架(9)位置N(N为自然数)次，每次微调活动支架(9)位置均重复步骤1～步骤5，记录下每次活动支架(9)位置及其对应的热敏屏(8)上3分贝焦斑大小；
步骤8、比较步骤6、步骤7的测量结果，确定热敏屏(8)上3分贝焦斑最小时活动支架(9)的位置，这时测得的即是较真实的3分贝焦斑的大小，此时活动支架(9)的位置对应焦点位置，这样3分贝焦斑大小和焦点位置就测定了。

说明书一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置及方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，它特别涉及测量微波介质透镜天线焦斑焦距技术。
背景技术
众所周知，微波介质透镜天线4由馈入波导1、喇叭2和介质透镜3构成，如图1所示。
像光波经透镜聚焦到焦平面一样，微波透镜天线能将微波聚焦到一个平面上很小的范围，称作焦斑，如图2所示。如果定义场强值Ef满足下述条件

的区域为焦斑，Emax为最大场强，则该式实际上是以半功率密度定义的焦斑大小A，即3分贝焦斑5。如果改变A的大小，也就可以改变焦斑的定义。
理论上讲，已知透镜材料的折射率和透镜的结构尺寸，可以计算出给定波束经透镜聚焦后的焦斑和焦距。但是，由于加工制造的误差，透镜的结构尺寸与设计参数总有一定差别，加上材料的折射率也可能有微小的变化，聚焦透镜的焦斑和焦距都会与设计值有差别，最后要以测量结果为准。
焦斑和焦距是透镜天线的重要参数。在微波透镜天线的许多应用中，需要知道微波聚焦在什么位置及多大范围内。例如，在非均匀介质微波测量中，需要将微波集中在某一位置通过，从而测量该位置处的物理特性。如果聚焦的位置和范围不确定，就不能对需要测量范围内的参数进行准确测量。又比如，在用微波透镜天线进行微波生物效应试验及应用中，如果不能准确知道微波聚焦在什么位置的什么范围内，就不能准确计量微波功率密度，也不能充分利用微波能量集中照射在某一小的范围内，以达到最佳的效果。假如测得了焦距的大小，我们还可以利用一对相同的天线，测量焦斑处一定范围内的平均功率密度。
微波透镜材料一般有两类：一类是既能透光又能透微波(微波损耗小)的光学材料；另一类是不能透光但能透微波的介质材料，如聚四氟乙烯、石英玻璃、高纯度陶瓷等。光学材料做成的透镜因能透光，可以用光学方法测量焦斑和焦距。光学透镜虽然有焦斑、焦距能够直接测量的优点，但由于微波的波长比光波的波长大很多，因而微波透镜的口径一般较大，致使用光学材料做透镜加工难度大，价格昂贵，且容易打碎。
目前市售的微波介质透镜天线仅给出焦斑焦距的设计值，至今还未见测量微波介质透镜天线焦斑焦距值的方法报道。
发明方案
本发明的任务是提供一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置及方法，采用该方法可以方便地测量出微波介质透镜天线焦斑焦距的值。
本发明的一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置包括：微波介质透镜天线4，其特征是它还包括：热敏屏8、红外热成像仪10、导轨13和标尺14。导轨13与标尺14固定在一起；介质透镜天线4通过支架11固定在导轨13的一端；红外热成像仪10通过支架12固定于与微波天线4相对的导轨13的另一端；热敏屏8固定在一非金属框架7内，如图3所示，非金属框架7通过一活动支架9置于导轨13上，介于微波天线4与红外热成像仪10之间，该活动支架9可以在导轨13上滑动并经标尺14指示其位置；调整透镜天线4、非金属框架7和红外热成像仪10，使微波天线4、热敏屏8和红外热成像仪10三者保持在一条直线上，如图4所示。
利用本发明的一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置测量微波介质透镜天线焦斑焦距的方法，其特征是采用下面的步骤：
步骤1、将活动支架9预置于被测微波介质透镜天线4理论上设计的焦点位置，记下此时标尺14所示活动支架9的位置；
步骤2、调节红外热成像仪10焦距，使其聚焦在位于活动支架9上的热敏屏8上；
步骤3、从被测微波介质透镜天线4入口(馈入波导1)馈入功率适中的连续微波，该连续微波波束经被测微波介质透镜天线4发射到热敏屏8上，热敏屏8吸收微波后屏面温度发生变化；
步骤4、红外热成像仪10记录热敏屏8上的温度分布，得到热敏屏8上的热图，通过红外热成像仪数据处理软件将热敏屏8上的温度分布转换为入射微波场强分布，并显示出来；
步骤5、由步骤4得到的热敏屏8的热图，就可以计算出热敏屏8上3分贝焦斑的大小，将结果记录于记录表中；
步骤6、向被测微波介质透镜天线4方向微调活动支架9位置M(M为自然数)次，每次微调活动支架9位置均重复步骤1～步骤5，记录下每次活动支架9位置及其对应的热敏屏8上3分贝焦斑大小；
步骤7、向红外热成像仪10方向微调活动支架9位置N(N为自然数)次，每次微调活动支架9位置均重复步骤1～步骤5，记录下每次活动支架9位置及其对应的热敏屏8上3分贝焦斑大小；
步骤8、比较步骤6、步骤7的测量结果，确定热敏屏8上3分贝焦斑最小时活动支架9的位置，这时测得的即是较真实的3分贝焦斑的大小，此时活动支架9的位置对应焦点位置，这样3分贝焦斑大小和焦点位置就测定了。
需要说明的是：上面所述的向被测微波介质透镜天线4方向微调活动支架9位置M(M为自然数)次、向红外热成像仪10方向微调活动支架9位置N(N为自然数)次，M和N的取值大小可以根据测量的实际需要确定，一般地，M和N的取值大，每次微调活动支架9的距离越小，测量的精度就越高；
所述的红外热成像仪数据处理软件可以采用红外热成像仪厂家提供地软件。
综上所述，本发明提供的一种测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置及其测量方法，能够方便地测量不能透光但能透微波的微波介质透镜天线焦斑和焦距的值。由于聚四氟乙烯等材料做成的微波介质透镜较光学透镜加工容易得多，价格又低得多，其价格只有光学透镜的大约1/5～1/10，且不易损坏、坚固耐用，在解决了焦斑和焦距的测量问题后，其应用必将更广泛，并且天线成本大大降低，必然会带来可观的经济效益。
附图说明
图1微波介质透镜天线的构成示意图
其中1.馈入波导，即微波介质透镜天线4入口，2.喇叭，3.介质透镜，4.微波介质透镜天线；
图2以焦斑为中心的横截面上的场分布示意图
其中5.3分贝焦斑，6.其它场区；
图3固定热敏屏的非金属框架结构示意图
其中7.非金属框架，8.热敏屏，9.支架；
图4测量微波介质透镜天线焦斑焦距的装置
其中4.微波介质透镜天线，7.非金属框架，8.热敏屏，9.活动支架，10.红外热成像仪，11.支架，12.支架，13.导轨，14.标尺；
图5微波介质透镜天线焦斑焦距测量记录表
其中M≥2，N≥2。
具体实施方式
现以焦斑直径小于10mm，焦距200mm微波介质透镜天线为例，说明利用本发明提供的装置测量微波介质透镜天线焦斑焦距的方法进行微波介质透镜天线焦斑和焦距值测量：
步骤1、将活动支架9预置于被测微波介质透镜天线4理论上设计的焦点位置，即距透镜中心200mm处，在测量记录表中记下此时标尺14所示活动支架9的位置；
步骤2、调节红外热成像仪10焦距，使其聚焦在位于活动支架9上的热敏屏8上；
步骤3、从被测微波介质透镜天线4入口(馈入波导1)馈入功率2～10W的连续微波，该连续微波波束经被测微波介质透镜天线4发射到热敏屏8上，热敏屏8吸收微波后屏面温度发生变化；
步骤4、红外热成像仪10记录热敏屏8上的温度分布，得到热敏屏8上的热图，通过红外热成像仪数据处理软件将热敏屏8上的温度分布转换为入射微波场强分布，并显示出来；
步骤5、由步骤4得到的热敏屏8的热图，就可以计算出热敏屏8上3分贝焦斑的直径为9.5mm，将结果记录于记录表中；
步骤6、向被测微波介质透镜天线4方向微调活动支架9位置2次，使其分别距透镜中心199mm和198mm，每次微调活动支架9位置均重复步骤1～步骤5，记录下每次活动支架9位置及其对应的热敏屏8上3分贝焦斑大小；
步骤7、向红外热成像仪10方向微调活动支架9位置4次，使其分别距透镜中心201mm、202mm、203mm和204mm，每次微调活动支架9位置均重复步骤1～步骤5，记录下每次活动支架9位置及其对应的热敏屏8上3分贝焦斑大小；
步骤8、比较步骤6和步骤7的测量结果，可以看出，当活动支架9位于距透镜中心202mm处时热敏屏8上3分贝焦斑最小，直径为9.0mm，即被测的微波介质透镜天线的3分贝焦斑直径是9.0mm，焦距是202mm。