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天线罩电厚度精密测量的关键技术(4)

来源:网络收集 时间:2018-12-19 下载这篇文档 手机版
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电子科技大学学士学位论文

机械系统由四部分组成,其中床身是其它各个部分的支撑;运动部件用于完成沿各坐标轴的平移和旋转运动;发射与接收喇叭天线及其支架用于固定位置的微波束发射与接收:专用夹具用于天线罩的定位与装夹。机械系统作为天线罩和微波喇叭天线的支承及天线罩运动的执行机构,其性能和精度是影响天线罩电厚度精密测量机精度的重要影响因素。为保证电厚度测量精度,机械系统的设计应该满足如下要求:

①具有足够的刚度与精度;

②具有根据计算机控制系统给定的坐标数据准确实现测量运动的执行功能; ③天线罩为薄壁回转工件,外形尺寸较大且材料属硬脆材料,其定位与装夹方式必须特殊考虑,使被测天线罩能准确的安装及对正,同时还要保证测量有统一的基准。在机械系统中,所涉及的关键技术主要有:机械系统的精度设计技术、运动学分析技术、误差分析与综合误差建模技术及硬脆材料薄壁复杂曲面天线罩的特殊定位与装夹技术等。 (3)计算机控制系统

计算机控制系统通过控制各个坐标轴的伺服电机及伺服驱动装置,从而实现对天线罩运动的精确控制,以保证在测量过程中,天线罩外表面任意点处微波束入射角始终保持为布儒斯特角,满足测量时的需要。此外,它还要进行整个系统的管理、实时控制、数据处理等。计算机控制系统包括硬件和软件两部分,其中硬件部分由数控系统、伺服驱动系统、辅助功能系统等三部分组成;软件系统则由上位机管理模块、人机交互通讯模块和下位机控制模块等部分组成。

为实现天线罩任意位置电厚度精密测量,计算机控制系统应满足如下要求: ①具有较强的抗干扰性,能满足工作现场的需要;

②具有为实现被测点的准确定位所需的轨迹规划和坐标计算功能;

③具有实现相位测量的微波校正、测量、通讯及多通道数据实时采集和处理功能;

④具有对机械系统实施多坐标驱动控制的功能及过行程保护等安全保护功能;

⑤具有对整个电厚度测量系统的实时管理控制功能。

在计算机控制系统中,涉及的关键技术主要有:高精度和高稳定性的控制系统方案设计、可保证控制系统精度的控制策略与控制算法、控制系统定位误差补偿技术、能对上下位机进行有效管理的系统管理技术、可遍历天线罩外表面整个测量区域并满足测量时微波束入射角要求的测量运动轨迹规划技术及能对测量数据进行分析的数据处理技术等。 2.2.2天线罩电厚度测量系统方案对比

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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

无论是反射法还是透射法,最终目的都是为了获得介质的IPD。用透射法测量介质板的IPD,测试方法简单,效果比较明显,但其测试夹具较大,受外界条件干扰较多,且对测试夹具的工艺制造要求较高,对测试夹具的调试精度等有特殊的要求。因此主要适宜用于在具备较高要求的实验室中对于大型、复杂曲面性质的天线罩进行测量。相比之下,反射法测试天线罩介质板IPD,测试夹具相对小得多且易于调试,但由于终端开路驻波效应造成的频率牵引容易使得测试结果不如透射法精确。但通过结合多端口器件理论,使用特殊设计的探头与多端口器件连接而成的夹具仍然可以在实验室中使用射频矢量网络分析仪对介质板进行IPD测量,并可以大大提升IPD测量精确度。因此,综合多方面因素考虑,透射法不适于本课题中的研究的天线罩IPD测量。

2.3 本章小结

本章中从电厚度的概念及测量原理入手,分析了IPD与电厚度之间的关系,将微波测量技术引入到IPD测量之中,并介绍了几种IPD的测量方法;根据在几种方法下对被测天线罩技术参数及对天线罩电厚度测量的分析,提出了一种基于微波全反射式测量方法及测量系统初步方案。

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第三章 终端开路传输线理论与应用

3.1 终端开路法的引入

3.1.1关于终端开路法

终端开路法是将介质基片贴在终端开口的矩形波导或者同轴线的末端,通过

对矩形波导或者同轴线体内和介质基片内的电磁场的测量和计算来得到所需要的电磁参量。这种方法基于耦合模技术、格林函数法、变分法、Bessel函数的正交性、Hankel变换等方法来实现测量[10,11,12]。这种方法又可以细分为以下的几种情况[12]:(l)将介质基片视作半无穷大空间,考虑波导和介质分界面上的模的变化和和波导内的能量的耦合;(2)在介质的末端加上短路片,这种情况非常容易实现,同样要考虑波导和介质分界面上的模的变化和能量的耦合,还要考虑介质和短路片分界面上的匹配;(3)在介质基片的末端加半无限大的一种已知的介质,这时要考虑两种介质分界面上的匹配。同时第二种情况还可以分为在待测介质和短路片之间加一层己知介质和不加两种情况。在矩形波导的情况下,通常采用变分法和格林函数法来计算各个空间的电磁场[11,12],进而通过对反射系数的计算来得到主模的反射系数,将矢量网络分析仪测量得到的反射系数带入到计算式中,就可以得到所需要的值。在同轴线的情况下,通常利用Bessel函数的正交性和Hankel变换来计算各个空间的电磁场[12],考虑对高次模的反射系数进行计算,同样利用矢量网络分析仪测量得到的反射系数带入到计算式中,最终将各个反射系数和方程式的系数变化成矩阵形式,计算得到主模的反射系数,得到所需要的值。终端开口法原理如下图所示[12]:

图3.1 终端开路法

3.1.2 关于终端开路同轴线

品质优良的天线罩取决于正确的设计、先进的制造工艺以及完善的检测手

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第三章 终端开路传输线理论和应用

段。在天线罩生产过程中,常采用的检测方法有两种,其中之一是天线罩系统的电性能参数测试法,通过对被测天线加罩前后系统性能参数的比较,判断天线罩系统合格与否,但却无法确定造成天线罩不合格的具体部位;第二种是天线罩的IPD (天线罩的插入相移)自动测量法[1,8,9] ,是针对一定的罩子在出厂后所进行的自动检测,对于设计给定的罩壁电厚度,其IPD应为一常数,由于IPD依赖于罩壁的电厚度,即罩壁的几何尺寸与介电常数,当二者起伏时即引起IPD的变化,通过这一变化值评估生产罩的品质,或实施电厚度的修补,以保证与给定的IPD的误差于设定的误差范围内。其优点为可施行修补以提高成品率,较前者的精度要高,但在使用中有一定的局限。

基于罩壁电厚度的IPD测试法,我们提出了一种改进方法,罩壁电厚度经由罩壁一侧的短路模式通过反射系数来检测,即天线罩壁电厚度的点频反射式测量方法。采用该方法可在天线罩生产过程中对天线罩电厚度进行检测,并且可根据检测结果对天线罩进行修补,不需要有专用场地与测量工装(可利用原有金属内膜或罩内壁贴金属膜) ,检测过程简单高效,测量探头可用波导或同轴探头。与通常的双探头传输系数IPD法相比,该方法采用复反射系数测量方法,测量系统简单,对测量时探头的几何位置精度要求较低,且探头面积较小,可方便可靠地测量天线罩锥顶或曲率半径较小部位[13]。

利用所测得的相位移参数,通过复杂的理论推导,不仅可以获得IPD,而且还可以获得诸如复介电常数之类的其他重要的介质电磁参数。现在这种终端开路法测量介质电磁参数的方法已经在复介电常数的测量中取得了广泛的应用。本课题中的IPD测量方法在通过借鉴终端开路法测介质复介电常数,并结合本人对IPD与复反射系数相位之间的理论推导,最终提出了测量系统。

3.2 基本物理模型

3.2.1 理论模型

常用的天线罩一般为单曲率或曲率曲面,当天线罩被测区域远大于测量探头,或其曲率半径远大于工作波长时,则可将测量模型理想化,即天线罩等效为单层无限大均匀平板结构,图3.1所示为基本的测量物理模型,罩壁的介电常数与导磁率分别为ε,μ,厚度为h,则此时探头处的复反射系数Γ可用等效传输线法[17,28]求得。

3.2.2 等效传输线法理论推导

我们仍然以图3.1中的模型为推导参考图。如图所示,设η’为探头波阻抗,

η0=120π为空气介质波阻抗,h为介质实际厚度,ε、μ分别为介质电磁参数。

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同轴线内半径为r,外半径R,则对于终端短路的情况,有

Zin(?)?Zin(h)?j?tan?h?j?02?tan?rh (3.1)

?0?r令b??02?tan?rh,则Zin(h)?jb

??r0那么在s=h处的复反射系数为:

?'2?b2ej?1Zin(h)??'jb??'?'?jb (3.2) ???????j?22Zin(h)??'jb??'?'?jb?'?be2而?1??arctanb?',?2?arctanb?'

于是结合(3.2)式得到

???ej(?1??2)??e?j2arctanb?' ??e?j2? (3.3)

?02?tan?rh?0?b即为反射系数相位。又因为罩壁在测量波长??arctan?arctanr?'?'λ0下的电厚度公式为??tan的变化。

2??0?rh,可见电厚度的变化将引起反射系数相位

3.3 开口同轴探头特性的理论计算

在本节中,我们将对开口同轴探头进行更加详细的理论分析。本部分为论文特色部分,将重点探讨同轴探头在开口状态下辐射场的理论公式推导,高次模对反射系数的影响,及法兰与开口同轴近场分析的相关设计理念,为后续的实际应用建立相关的核心理论基础。

3.3.1 同轴外部加载测量介质材料的数理推导 3.3.1.1 推导辐射场与反射系数的关系

在下图中,区域1为同轴线,其与圆形法兰相连接,区域2为待测的介质基片,它的下面是短路片。介质基片和法兰、短路片表面光滑平整,它们之间有很好的接触。同轴线的内半径a,外半径b,基片的厚度d。

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