天线罩电厚度精密测量的关键技术(3)

第二章 天线罩电厚度测量方法和测量系统总体方案研究

入射波从入射点经多次反射、折射后又经R1，R2，??，Ri到达S面的总的透射波可表示为：

Es?ER1?ER1?????ERi?tatbe?j?s （2.7） ?Aesm2?j2?(1?rb0e)?j(??2?R0)?0式中，ta和tb几分别为介质层前、后表面折射系数，R0为入射波法线方向与介质b界面的交点沿透射波方向到达S面的距离，ψab为界面反射场强的滞后相位，rb0为介质在b界面的反射系数并可由下述确定: 对于水平极化波，有：

rb0//??r?sin2?i??rcos?i?r?sin?i??rcos?i2 （2.8）

对于垂直极化波，则有：

rb0???r?sin2?i?cos?i?r?sin?i?cos?i2 （2.9）

总吸收因子Asm和总相移量也可确定如下：

Asm?Aab2222(1?rab0)?4rab0sin?ab （2.10） 222222(1?Aabrab0)?4Aabrab0sin(???ab) ?s????1??2 （2.11）

22Aabrb0sin(2??2?ab)其中， ?1?arctan （2.12） 222(1?Aabrb0)cos(2??2?ab)rb20sin?2ab ?2?arctan2 （ 2.13）

1?rb0cos?2ab对于无耗介质(单层天线罩结构采用半波长壁厚，可视为无耗介质)，由于

tan?b?0，Aab?1，?ab?0，且ta和tb均为实数，不会引起附加相位，代入有 rb20sin2? （2.14） ?s???arctan1?rb20cos2?(2)插入相位移

所谓插入相位移[13](bsertionPhasenel，IPD)，指平面波通过具有相同厚度的两种不同均匀无损耗介质层的相移量之差，本文中用?t表示：

若移去图2.1中的平板介质，则电磁波穿过厚度为h的自由空间的相移量可表示为：

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?0?2?h?0?0?sin2?i （2.15）

由于空气的相对介电常数?0?1，式（2.15）可简化为

?0?2?h?02?h?0?sin2?i?2?h?0cos?i （2.16）

因此，由IPD定义和式(2.14)及(2.16)可知，IPD可表示为:

?t??s??0??0rb20sin(2?)2?h ?r?sin?i?arctan?cos?i （2.17）21?rb0cos(2?)?02以上分析表明，IPD与天线罩介质的介电常数?r、几何厚度h、入射角?i以及入射波的极化方式有关。当测量特定天线罩的IPD时，?r、h为常量，入射角

?i和入射波的极化方式是影响天线罩IPD的主要因素。

在工程上，入射角通常选取在60~80度之间[23,27]，在测量过程中一般选为布儒斯特角，即

?i??p?tg?1? （2.18）

此时，rb0//?0，rb0??(??1)/(??1)，水平极化波将发生全折射，电磁波的穿透性能最强。当取熔融石英的介电常数εr=3.35时，θp=61.35°。

对于半波长壁结构天线罩，天线罩最佳壁厚可由下式决定:

h?n?02?r?sin?i2 n=1,2,3…. (2.19)

综合考虑上述因素，式(2.17)可化为

?t?2?h?0 (?r?sin2?p?cos?p) （2.20）

上式就是综合考虑了入射波入射角和极化方式后，半波长罩壁结构天线罩IPD的表达式。由式 (2.20)可看出，电厚度和插入相位移虽然有各自特定的物理意义，但却有着本质上的联系，电厚度Φ是IPD的最基本的也是最主要的分量，可通过IPD间接反映电厚度参数。因此，可以通过测量天线罩IPD来表示天线罩的电厚度[8,23,27]。 2.1.3 IPD测量方法

根据IPD的定义可知，它可通过测量微波穿透介质的相位和移去介质后同一相减获得。因此，本文中将微波测量技术引入到天线罩IPD的测量之中，以的电厚度测量。微波是波长很短的电磁波。作为电磁波谱中的高频段，微波波段

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第二章 天线罩电厚度测量方法和测量系统总体方案研究

是从300MHz至300GHz之间的电磁波谱(即波长从lm至lmm)。微波测量技术是以微波物理学和测量技术为基础的一门微波应用技术，其基本原理是综合研究微波和被测介作用，利用微波反射、透射、散射和腔体微扰等物理特性的改变，通过测量本参数(如幅度衰减或相移量或频率等)的改变量来检测材料或工件的非电量变化。它以微波为信息载体，可对各种适用材料和构件进行无损检测和故障诊理性能及工艺参数等非电量进行快速测量。

利用微波测量技术的IPD测量属于高精度相位测量，从原理上讲，可以使用量的方法进行IPD测量。目前，微波IPD测量主要采用的方法可以分为两类[10]反射法和透射法，它们的实现都需要许多相关的测试技术和设备，如图2.2所示。

图2.2 微波IPD测量方法

反射法IPD测试系统组成结构原理如图2.3所示，其中，图(a)为单喇叭系统，它应用定向祸合器实现对入射波和反射波的分别采样;图〔b)为双喇叭测试系统，它通过魔T完成入射波的分解和反射波的合成。

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图2.3 单喇叭系统（a）与双喇叭系统(b)

图2.4 透射法IPD测量系统

透射法也叫传输法，其测试系统组成结构原理如图2.4所示。当微波透射过介质时，接收信号的振幅和相位相对于发射信号都将有一定的变化。

若设发射信号为V0cos(ωt)，则接收信号可表示为:

V'cos(?t??s)?V'cos?scos?t?V'sin?ssin?t （2.21）

式中，V'cos?s为同相分量，V'sin?s为90°移相分量，当垂直入射时，入射角移相分量θi=0°时，?s?2?h?r/?0。

2.2 天线罩电厚度测量设备

2.2.1实际中天线罩电厚度精密测量机各系统功能及关键技术展望

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第二章 天线罩电厚度测量方法和测量系统总体方案研究

实际中所研究的电厚度精密测量机不同于常规意义上的测量仪器，其功能应包含复杂曲面上采样位置的自动测量、测量运动轨迹的规划及控制、以及测量数据处理等功能。要实现上述功能，需要对测量机各系统的功能及其关键技术进行分析。

(l)IPD测量系统

IPD测量系统构成如图2.5所示(虚线内部分为IPD测量系统)，它由矢量网络分析仪、信号合成源、定向祸合器、频率变换装置、发射和接收喇叭天线、电缆等部分组成。其中，矢量网络分析仪是IPD测量系统的核心，它是一种先进的多功能综合测试仪器，采用了双通道取样、变频锁相和坐标变换等先进技术，具有高精度、速度快、灵活性强等特点，能够测量微波一毫米波信号的插入相位移，测量精度达0.01。，并能通过串口将测量数据传送给计算机进行数据处理。信号合成源是采用锁相频率合成式扫频信号源，其振荡频率高度稳定和准确，具有扫频自动校准功能，用于产生微波一毫米波扫频信号;频率变换装置用于将信号频率在厘米波段与毫米波段转换;定向藕合器用于保证微波一毫米波信号的高方向性。发射和接收喇叭天线用于发射和接收测试信号，并备有厘米波段、毫米波段两套喇叭天线，分别用于厘米波和毫米波信号的IPD测量[8,10]，为了满足测量时信号接收的需要，要保证发射与接收喇叭天线的中心线重合。电缆采用专用电缆和数据通信电缆，保证信号的传输。

图2.5 IPD测量系统结构简图

在实际的导弹天线罩IPD测量系统中，信号检测过程可分为三个主要步骤:信号的产生和初级混频、中频信号同步检测、信号相位显示。

(2)机械系统

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