超材料调控元件微波阻抗测量系统及方法与流程

本发明属于微波测量，具体涉及超材料调控元件微波阻抗测量系统及方法。

背景技术：

1、超表面作为一种二维结构的超材料，在电磁散射调控方面具有良好的研究价值和应用潜力。在光学波段，超表面能够用于设计新型的超薄光学器件，如超透镜、分光器、全息透镜等；在毫米波及太赫兹波段，超表面能够用于实现电磁伪装、电磁隐身、定向辐射等。

2、超表面的电磁散射调控的本质是利用人工二维结构引入的突变相位来实现相位补偿。通过合理地排列这些突变相位可以改变电磁波束的波阵面，从而实现调控电磁波束的传播方向。超表面的基本单元类型主要有传输相位型、电路相位型和几何相位型。其中，电路相位型是在微波频段最常见的设计方式。当电磁波照射到电路相位型超表面，会在金属图案层产生等效的电容电感，从而影响超表面的相位突变，实现电磁波的调控。对于超表面的相位特性分析必须要从反射系数出发，而自由空间的特征微波阻抗已经是确定的值，介质基板和金属背板的微波阻抗也是确定的，只有图案层的微波阻抗是可以自由调控的。对超表面图案层微波阻抗的调节可以实现突变相位的控制，从而实现电磁波的自由调控。

3、现阶段应用于该超表面相位突变的手段主要有两种方式：一种是通过在超表面图案层中增加对电压敏感的调控元件，改变加载在该类元件上的电压，可以改变元件的微波阻抗；另一种是在超表面图案层增加对光辐照强度敏感的调控元件，改变加载在该类元件上的光辐照强度，也可以改变元件的微波阻抗。对于调控元件的微波阻抗测量，现阶段主要有传输反射法，测量频率低，测量精度低，需要对测量夹具进行校准，这对于高精度相位调控的超表面应用来说十分不利。

4、因此，如何搭建超材料调控元件微波阻抗测量系统，实现对超材料调控元件微波阻抗进行高精度测量，就成为了当前研究的重点。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种超材料调控元件微波阻抗测量系统及方法。本发明利用重入式同轴腔、外部场源、隔直器和矢量网络分析仪，根据待测调控元件对不同外部场源大小的响应不同，通过测量测量系统谐振频率和品质因素的变化，反演得到待测调控元件在不同外部场源作用下的微波阻抗。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、超材料调控元件微波阻抗测量系统，包括测量夹具、外部场源、待测调控元件和矢量网络分析仪，所述待测调控元件为对外部场源感应的材料或者元器件，所述矢量网络分析仪与测量夹具电性连接，所述待测调控元件置于测量夹具内部，所述外部场源置于测量夹具外部，所述外部场源将外部信号输入到待测调控元件，所述矢量网络分析仪测量待测调控元件受外部信号影响下的测量系统的谐振参数，通过谐振参数计算出待测调控元件受外部信号影响下的微波阻抗。

4、优选的，所述测量夹具采用重入式同轴腔，所述重入式同轴腔内的导体与短路面之间留有用于加载待测调控元件的空隙。

5、优选的，所述待测调控元件为对电压敏感的调控元件，所述外部场源为直流可调电压源，所述重入式同轴腔的短路面上设置有两个小孔，所述直流可调电压源通过直流线穿过重入式同轴腔的短路面小孔电性连接待测调控元件。

6、优选的，所述矢量网络分析仪通过同轴电缆分别与一号隔直器和二号隔直器电性连接，所述一号隔直器和二号隔直器分别与重入式同轴腔电性连接。

7、优选的，所述待测调控元件为对光辐照强度敏感的调控元件，所述外部场源为光源，所述光源发出的光信号通过光学链路后到达待测调控元件和光功率计，光学链路包括衰减片、分束器、一号镜面和二号镜面，光源、衰减片和分束器位于同一直线上，一号镜面和二号镜面分别位于分束器分路后的两路光信号通路上，一路光信号经二号镜面到达光功率计，重入式同轴腔的侧壁对应待测调控元件的位置开设供光信号通过的通孔，一号镜面与重入式同轴腔侧壁的通孔位于同一直线上，另一路光信号通过一号镜面到达待测调控元件。

8、优选的，所述光源为宽谱光源。

9、超材料调控元件微波阻抗测量方法，应用前述的超材料调控元件微波阻抗测量系统，包括以下步骤：

10、不放置待测调控元件，记录此时矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f0和品质因素q0；

11、将对电压敏感的待测调控元件置于重入式同轴腔内的导体与短路面缝隙处，直流可调电压源置零，并记录此时矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f10和品质因素q10；

12、调节直流可调电压源输出电压值为u1，并记录矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f11和品质因素q11；

13、调节直流可调电压源的输出电压值为u2～un，并记录矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f12～f1n和品质因素q12～q1n；

14、根据测量得到的待测调控元件在不同输出电压值作用下测量系统的谐振频率和品质因素，计算得到待测调控元件的微波阻抗。

15、优选的，将重入式同轴等效为理想的并联谐振电路，待测调控元件加载到重入式同轴腔后，等效为对并联谐振参数中的电阻和电抗进行扰动，利用谐振基本公式：

16、

17、

18、其中，f、q为谐振频率和品质因素，l0、c0、r0为重入式同轴腔的本征参数，s21为矢量网络分析仪测量得到的测量系统传输系数，由式(1)和(2)反算得到rs和cx，cx为待测可调元件的微波阻抗虚部，rs待测可调元件的微波阻抗实部，待测调控元件在不同不同输出电压值作用下的微波阻抗z＝rs+jcx，j为复数虚部的符号。

19、超材料调控元件微波阻抗测量方法，应用前述的超材料调控元件微波阻抗测量系统，包括以下步骤：

20、不放置待测调控元件，记录此时矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f0和品质因素q0；

21、将待测调控元件置于重入式同轴腔内的导体与短路面缝隙处，光源输出光强置零，并记录此时矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f20和品质因素q20；

22、调节光源的输出功率为p1，并记录矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f21和品质因素q21；

23、调节光源的输出光强为p2～pn，并记录矢量网络分析仪显示的测量系统的谐振频率f22～f2n和品质因素q22～q2n；

24、根据测量得到的待测调控元件在不同输出电压值作用下测量系统的谐振频率和品质因素，计算得到待测调控元件的微波阻抗。

25、优选的，将重入式同轴等效为理想的并联谐振电路，待测调控元件加载到重入式同轴腔后，等效为对并联谐振参数中的电阻和电抗进行扰动，利用谐振基本公式：

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27、

28、其中，f、q为谐振频率和品质因素，l0、c0、r0为重入式同轴腔的本征参数，s21为矢量网络分析仪测量得到的测量系统传输系数，由式(1)和(2)反算得到rs和cx，cx为待测可调元件的微波阻抗虚部，rs待测可调元件的微波阻抗实部，待测调控元件在不同光强作用下的微波阻抗z＝rs+jcx，j为复数虚部的符号。

29、综上所述，基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

30、本发明提供了一种超材料调控元件微波阻抗测量系统及方法，本发明仅使用了矢量网络分析仪、重入式同轴腔、可调直流电压源、光源和光功率计这些常用仪器，实现了超材料调控元件微波阻抗的测量。测量系统结构简单，操作方便，测量和计算结果准确无误。