本发明属于微波近场测量技术领域，具体涉及一种平行平板波导测量装置及方法。
背景技术
微波近场测量技术对环境要求低，不需要造价昂贵的暗室环境，也不需要对射频系统有很高的要求，对设备的要求较低，近场测量通过对样品的表面做扫描运动，采集样品近场区域辐射场的数据，然后通过近场远场变换算法由计算机用近场数据推出远场数据。只要保证测量精度就可得出较为准确的远场特性。
然而现有技术还无法对平行平板波导测量获得平行平板内部空间的电磁场的分布，对于平行平板的测量一般是用矩形波导来代替。对于矩形波导的测量现有技术是通过测量矩形波导开口两端的数据，获得腔内电磁波的s参数，但无法获得内部电磁场数据。
对于电磁束缚空间(如波导或谐振器(腔)等)中的电磁场缺乏合适的方法进行快捷而又高质量的成像，目前的的技术方式是在矩形波导或谐振器(腔)的宽壁上面沿引导波方向开等距间隔的测量孔；让微波探头伸入矩形波导内部测量电磁场的场的分布，但是这种方式获得的电磁场的场分布分辨率比较低，且分辨率不能随意改动；探针每个点的测量都需要抬起-移动-下降，浪费时间导致实验效率低下。
现有技术对于一些样品(光子晶体、负折射材料等)在垂直电场中激发的出电磁场的测量获得的电磁场幅度和相位数据分辨率比较低、精确度不高，且分辨率不能随意改动，如果需要不同的分辨率就需要多个同规格样品开不同间距规格的探测孔，实验成本高、效率低。
技术实现要素：
本发明的目的是克服已有技术的缺陷，提出了一种平行平板波导测量装置及方法。
本发明的平行平板波导测量装置包括：可拆卸式上板束波装置、二维平面移动系统、计算机、矢量网络分析仪、升降台、水平调节装置和近场测量探头；
所述计算机与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的输入端通过射频连接线与近场测量探头相连，矢量网络分析仪的输出端通过射频连接线与样品或激发探针相连，可拆卸式上板束波装置包括上板和支撑上板的框架，上板上设有探测口；近场测量探头在探测口内被夹持固定；所述升降台固定在二维平面坐标移动系统上，水平调节装置固定在升降台上；所述的二维平面移动系统通过计算机控制带动升降台在x轴和y轴方向的移动；水平调节装置的上表面和上板均为金属材质且平行设置。
作为本发明的优选方案，所述的水平调节装置包括下平板、支撑限位板和若干水平调节件；所述的支撑限位板上表面设有与下平板形状相同的凹陷部，所述的凹陷部用于安装下平板；水平调节件固定在支撑限位板上，下平板底部由所述的若干水平调节件进行支撑。
作为本发明的优选方案，所述的水平调节件均匀分布在所述下平板边缘的下方。所述的水平调节件为调节螺栓。
作为本发明的优选方案，所述的二维平面移动系统包括第一单臂直线机器人、第二单臂直线机器人、设备基座、线性导轨；所述的第一单臂直线机器人和第二单臂直线机器人均包括伺服控制器、滑轨和滑块；伺服控制器控制滑块在滑轨上进行直线运动；线性导轨和第一单臂直线机器人设置在所述的设备基座上，线性导轨和第一单臂直线机器人的滑轨呈平行设置，且两者高度相等，第二单臂直线机器人的一端固定在所述第一单臂直线机器人的滑块上，另一端以可滑动方式安装在线性导轨上，第二单臂直线机器人的滑轨与线性导轨呈垂直安装；升降台固定在第二单臂直线机器人的滑块上。
本发明公开了一种所述平行平板波导测量装置的波导测量方法，对平行平板测量时，矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与激发探针相连；激发探针位于下平板上用于激发电磁场；调节支撑限位板上的水平调节件的进给运动可支撑起下平板，通过水平调节件的微调调节至下平板与上板相对平行；
通过升降台调节水平调节装置下平板与上板之间的间隙，即相当于调节平行平板的间距；近场测量探头固定在探针固定卡上面，探头针头与上板平行表面平行；所有机械调试完成后通过计算机设置扫描步长与步数来确定扫描区域的大小与扫描点密度，设置完成后上位机发布指令调动二维平面扫描系统与矢量网络分析仪，在每一个点的位置采集数据，自动完成整个区域的扫描工作。
本发明公开了另一种所述平行平板波导测量装置的测量方法：样品放置在水平调节装置下平板上，当样品具有接入端口时，矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与样品的接入端口相连；当样品不具有接入端口或需要测量样品对电磁场的散射时，矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与激发探针相连；激发探针位于下平板上用于激发电磁场；
调节支撑限位板上的水平调节件的进给运动可支撑起下平板，通过水平调节件的微调调节至下平板与上板相对平行；通过升降台调节水平调节装置下平板与上板之间的间隙；近场测量探头固定在探针固定卡上面，探头针头与上板平行表面平行；所有机械调试完成后通过计算机设置扫描步长、步数和扫描总长度中的任意两项来确定扫描区域的大小与扫描点密度，设置完成后上位机发布指令调动二维平面扫描系统与矢量网络分析仪，在每一个点的位置采集数据，自动完成整个区域的扫描工作。
本发明还公开了所述平行平板波导测量装置的电磁束缚空间测量方法：
铣除电磁束缚空间的一个表面，将铣除一个平面的样品放置并固定在水平调节装置下平板上面，铣除的面朝上与上板平行，通过升降台的升降调节使样品与上板保持尽量小的间距(0.1-0.2mm或以下)，样品与上板相对运动时无摩擦产生；然后通过计算机设置扫描步长与步数来确定扫描区域的大小(包含矩形波导或谐振腔内部的全部或者部分)与扫描点密度，设置完成后计算机发布指令调动二维平面扫描系统与矢量网络分析仪，在每一个点的位置采集电磁波数据，自动完成样品内部电磁场幅度和相位的数据扫描采集工作。
所述的电磁束缚空间为矩形波导或谐振腔。
该装置设置完成需要扫描的区域及分辨率；二维平面移动系统接收上位机的指令后带动升降台、水平调节装置及固定在水平调节装置上面的样品(或激发天线)做平面扫描运动，在运动过程中水平调节装置上的下平板(金属材质)与可拆卸式上板束波装置上的上板始终保持平行，由样品(或者激发天线)激发出的电磁波被束缚在两金属板之间，且电场方向始终垂直于金属板。
本发明可以十分精准的测量平行平板波导内部的电磁场；装置中的构成平行平板波导的下平板可以在二维运动系统的带动下做扫描运动，上板与测量探头固定不动，设备可以在每一个可运动到的点采集此时的电磁波数据，完成平行平板波导内的电磁波的幅度及相位的测量。
本发明可以对波导或谐振腔体内部的电磁场进行测量；可以测量样品(光子晶体、负折射材料等)在平行平板波导的垂直电场中激发的电磁场。近场微波探头固定不动，激发探针与样品相对位置固定不变，测量的电磁波精确度高。
本发明单轴重复定位精度为0.01mm,(分辨精度0.02mm)可以测量出矩形波导内部高分辨率的电磁场分布，且分辨率可以调节(分辨率大于0.1mm、小于单臂机器人有效行程)。
附图说明
图1为平行平板波导装置示意图；
图2为水平调节装置及升降台拆解结构图；
图3为可拆卸上板束波装置；
图4为二维平面移动系统；
图5为环形谐振腔在垂直电场中激发出的电磁场测量示意图；
图6为电磁束缚空间中的电磁场测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，实施一：
本发明的平行平板波导测量装置包括可拆卸式上板束波装置4、二维平面移动系统1、计算机、矢量网络分析仪、升降台2、水平调节装置3和近场测量探头；
本实施例中，可拆卸式上板束波装置4包括上板42、框架41；所述上板为金属板；所述样品位于上板和水平调节装置之间。框架最好是用非金属，框架四个侧壁可以使用非金属的挡板，也可以不要挡板，但绝对不能使用金属挡板。如图3所示，所述的上板42中间区域开设有探测口44，近场测量探头通过可拆卸式上板束波装置上的探测口44后被线卡43夹持固定于样品上方空间；或者近场测量探头被夹持固定在探测口内，探头针头与上板下表面平行。如图4所示，所述的二维平面移动系统1包括第一单臂直线机器人13、第二单臂直线机器人14、设备基座11、线性导轨12；所述的第一单臂直线机器人和第二单臂直线机器人均包括伺服控制器141、滑轨142和滑块143；伺服控制器141控制滑块143在滑轨142上进行直线运动；线性导轨12和第一单臂直线机器人13设置在所述的设备基座上，线性导轨和第一单臂直线机器人的滑轨呈平行设置，且两者高度相等，第二单臂直线机器人14的一端固定在所述第一单臂直线机器人的滑块上，另一端以可滑动方式安装在线性导轨上，第二单臂直线机器人的滑轨与线性导轨呈垂直安装；升降台固定在第二单臂直线机器人的滑块上。通过两个伺服控制器的驱动即可实现升降台在水平面内的移动。如图2所示，所述的水平调节装置3包括下平板32、支撑限位板31、若干水平调节件33和线缆线卡34；所述的支撑限位板上表面设有与下平板形状相同的凹陷部，所述的凹陷部用于安装下平板；水平调节件固定在支撑限位板上，下平板底部由所述的若干水平调节件进行支撑。线缆线卡34用于安装和固定同轴线。本实施例的水平调节件为调节螺栓，共4个，分布在支撑限位板的四个角落，通过手动或电动控制调节的方式调节下平板各角的高度，能适用于需要下平板平行状态的要求。
所述计算机与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的输入端通过射频连接线与近场测量探头相连，矢量网络分析仪的输出端通过射频连接线与激发探针相连，可拆卸式上板束波装置包括上板和支撑上板的框架，上板上设有探测口；近场测量探头在探测口内被夹持固定；所述升降台固定在二维平面坐标移动系统上，水平调节装置固定在升降台上；所述的二维平面移动系统通过计算机控制带动升降台在x轴和y轴方向的移动；水平调节装置的上表面和上板均为金属材质且平行设置。
利用本实施例的装置对平行平板测量时(上板与下平板自己构成了一个测量样品，检测的就是激发探头在上下板的空间中激发的电场)，矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与激发探针相连；激发探针位于下平板上用于激发电磁场；调节支撑限位板上的水平调节件的进给运动可支撑起下平板，通过水平调节件的微调调节至下平板与上板相对平行；
通过升降台调节水平调节装置下平板与上板之间的间隙，即相当于调节平行平板的间距；近场测量探头固定在探针固定卡上面，探头针头与上板平行表面平行；所有机械调试完成后通过计算机设置扫描步长、步数和扫描总长度中的任意两项来确定扫描区域的大小与扫描点密度，设置完成后上位机发布指令调动二维平面扫描系统与矢量网络分析仪，在每一个点的位置采集数据，自动完成整个区域的扫描工作。即可对平行平板波导测量获得平行平板内部空间的电磁场的分布(此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。)
实施二：
本实施例为利用实施例1的装置对光子晶体、负折射材料等样品在垂直电场中激发出的电磁场进行测量，
如图5所示，样品为环形谐振腔5，附图标记6为射频连接线，样品放置在水平调节装置下平板上，当样品具有接入端口时，矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与样品的接入端口相连；当样品不具有接入端口时，矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与激发探针相连；激发探针位于下平板上用于激发电磁场；激发探针与样品的距离要取决于样品；激发探针作为样品的能量源，或者激发探针是激发出电磁波，测量样品对激发出来电磁波进行相互作用。
矢量网络分析仪的输出端固定在水平调节装置上的线卡中，通过升降台可以调节下平板与上板(即平行平板波导)之间的间隙；水平调节装置中的支撑限位板四个角落各有一颗调节螺母，四颗螺母通过螺纹的进给运动可支撑起下平板，通过四个调节螺母的微调就可以调节至下平板与上板的相对平行。近场测量探针固定在探针固定卡上面，探针针尖与上板平行表面平行。将光子晶体放置与下平板上面固定，通过升降台手动调节上下板的高度间隙，调节到合适的间隙。所有调试完成后通过上位机设置扫描步长、步数和扫描总长度中的任意两项来确定扫描区域的大小与扫描点密度。设置完成后上位机会自动发布指令调动二维平面扫描系统与矢量网络分析仪，在每一个点的位置采集数据，自动完成激发样品的所激发的电磁场幅度和相位区域扫描测量工作。(此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。)
测量样品对电磁场的散射时，同样将矢量网络分析仪的输出通过射频连接线与激发探针相连；激发探针位于下平板上激发电磁场；即可测量样品对电磁场的散射。
实施三：
本实施例对矩形波导内部电磁场进行测量；本实施例的装置可以为实施例二的装置，
对矩形波导内部电磁场进出测量时，矩形波导铣除一个面，将铣除一个平面的矩形波导放置并固定在下平板上面，铣除的面朝上与上板平行，通过升降台手动调节选择合适可用的间隙，使矩形波导与上板保持极小的间距(0.1-0.2mm或以下)，样品与上板相对运动时无摩擦产生。然后通过电脑中的上位机程序设置扫描步长与步数来确定扫描区域的大小与扫描点密度。设置完成后上位机会自动发布指令调动二维平面扫描系统与矢量网络分析仪，在每一个点的位置采集电磁波数据，自动完成矩形波导内部电磁场幅度和相位的数据扫描采集工作。(此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。)
本发明实例中的水平调节装置中用四颗调节螺母调节水平，其仅用以解释本发明，并不用于限定使用四颗调节螺母的方式，其包括所有与其类似可以达到其水平调节作用或功能的结构或装置，以及在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
如图6所示，为电磁束缚空间电磁场的成型示例图，铣除电磁束缚空间的一个表面，将铣除一个平面的样品放置并固定在水平调节装置下平板上面，铣除的面朝上与上板平行，通过升降台的升降调节使样品与上板保持极小的间距(0.1-0.2mm或以下)，保证样品与上板相对运动时无摩擦产生。电磁场的测量过程同实施例3相同。
本发明实例中的上板、下平板的形状不仅限于矩形与平面，其仅用以解释本发明，对其他各种可以达到与本发明类似的功能的形状结构及在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。实例中通过升降台来实现调节上板与下平板的间隙的功能，但其仅用以解释本发明，并不用于限定使用升降台的方式，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进的及对于其他机构、装置、系统、结构等可以达到相同效果或功能的等，均应包含在本发明的保护范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，其仅用以解释本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。