專利名稱：一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種特異介質(zhì)的測(cè)量裝置，尤其是指一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快 速測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
按，照國(guó)際通 亍定義Metamaterials are materials which owe their properties to subwavelength details of structure rather than to their chemiacal composition。物質(zhì)的性質(zhì)由尺
度決定。特異介質(zhì)的特殊性就在于——它的性質(zhì)不是由它的化學(xué)組成而決定，而是由它 的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)決定。特異介質(zhì)是一種特殊的人造結(jié)構(gòu)，并不存在于自然界中。也正因?yàn)?特異介質(zhì)的特殊性，它表現(xiàn)出很多不同于通常介質(zhì)的特殊性能。通常介質(zhì)的ε和μ都大 于等于1，但是特異介質(zhì)的ε和μ卻能夠小于1甚至小于0。按照ε和μ所在區(qū)間， 能進(jìn)一步把特異介質(zhì)分為隱形材料(ε或μ小于1)和左手介質(zhì)(ε和μ都小于0)。近年來，特異介質(zhì)引起人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注，而基于特異介質(zhì)的隱形結(jié)構(gòu)也 成為非常熱門的研究領(lǐng)域。基于特異介質(zhì)的隱形結(jié)構(gòu)的思想為讓電磁波繞過隱形結(jié)構(gòu) 向前傳播，使得隱形結(jié)構(gòu)外面的空間區(qū)域電磁場(chǎng)沒有任何變化，從而讓觀察者感覺好像 和空間中沒有任何物體一樣，從而達(dá)到隱形的效果。理論計(jì)算表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)的ε和μ有一個(gè)特殊的分布的時(shí)候，電磁波能繞過隱形 結(jié)構(gòu)向前傳播。而這種特殊的ε和μ的分布，可以利用特異介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。在理論上已經(jīng)提出了很多隱形結(jié)構(gòu)，并且被計(jì)算機(jī)仿真所驗(yàn)證，但在具體物理 上實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行測(cè)量的工作卻相對(duì)較少。主要有兩點(diǎn)困難首先，隱形結(jié)構(gòu)對(duì)電磁參數(shù)ε 和μ的要求往往比較苛刻，給具體物理實(shí)現(xiàn)帶來很多困難；其次，目前的一般實(shí)驗(yàn)方法 是對(duì)整個(gè)場(chǎng)分布的測(cè)量，然后再與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果作對(duì)比，該方法能很直觀形象地給出 電磁場(chǎng)的分布圖，但系統(tǒng)較復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。以Smith等的測(cè)量裝置為例。(參考文獻(xiàn)為Spatial mapping of the internal and external electromagnetic fields of negative index metamaterials，2006, Optics Express, Vol.14, 8694)兩塊平鋁板平行放置形成一個(gè)準(zhǔn)二維區(qū)域。在底盤上，用裁成鋸齒狀的吸 波材料圍成一個(gè)目標(biāo)區(qū)域，用同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換將電磁波引入目標(biāo)區(qū)域。在頂盤上，裝有一 個(gè)同軸天線來測(cè)量目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中，將樣品放入目標(biāo)區(qū)域，輸入端產(chǎn)生微 波波段的電磁波，通過計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)沿兩個(gè)垂直方向?qū)φ麄€(gè)區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行 逐點(diǎn)掃描，將傳輸信號(hào)S21通過MATLAB軟件繪制出電磁場(chǎng)的分布圖。該裝置結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，成本較高。由于需要對(duì)約200X200個(gè)數(shù)據(jù)(幾萬甚至幾十萬)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，再經(jīng) 過后臺(tái)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到整個(gè)場(chǎng)分布，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間周期較長(zhǎng)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型主要解決的技術(shù)問題在于提供一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置。[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置，包括金屬盒，其形狀為一個(gè)扁平的長(zhǎng)方體；吸波材料，覆蓋于所述金屬盒的四個(gè)側(cè)面；輸入端口和接收端口，分別位于所述金屬盒的相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上；電磁波測(cè)量?jī)x，分別與輸入端口和接收端口連接；其中，所述接收端口通過滑動(dòng)窗口安裝在所述金屬盒的側(cè)面，可以在該側(cè)面向 兩側(cè)自由移動(dòng)，從而可以快速測(cè)量不同接收位置處的信號(hào)強(qiáng)度。作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，在所述輸入端口和接收端口處分別設(shè)有波導(dǎo)同軸 轉(zhuǎn)換器，所述輸入端口和接收端口分別通過其波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器經(jīng)由微波電纜與電磁波測(cè) 量?jī)x連接。作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述金屬盒的長(zhǎng)度或?qū)挾却笥诟叨?0倍以上。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型的測(cè)量裝置可以避開整個(gè)場(chǎng)分布的測(cè) 量，而將焦點(diǎn)集中于特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)背后的特殊位置，即觀察者的角度，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度 進(jìn)行測(cè)量。從而可以降低測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，縮短實(shí)驗(yàn)周期，并達(dá)到良好的測(cè)量效果。

圖1為本實(shí)用新型的測(cè)量裝置俯視示意圖；圖2為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中的四種測(cè)量狀態(tài)示意圖，其中，a.空盒，b.圓柱金屬，C.圓柱金屬外罩有隱形結(jié)構(gòu)，d.僅有隱形結(jié)構(gòu)；圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中的接收信號(hào)強(qiáng)度變化圖；圖4為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中的接收信號(hào)強(qiáng)度變化圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。參見圖1，本實(shí)用新型提供的特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置，包括金屬盒 1、吸波材料4、輸入端口 2、接收端口 3、電磁波測(cè)量?jī)x7，以及微波電纜6和波導(dǎo)同軸 轉(zhuǎn)換器5。在一具體實(shí)施例中，金屬盒1為一個(gè)高度略大于待測(cè)隱形結(jié)構(gòu)高度，但遠(yuǎn)小于 其長(zhǎng)度或?qū)挾鹊谋馄介L(zhǎng)方體，即該金屬盒的長(zhǎng)度或?qū)挾却笥诟叨?0倍以上。例如，可采 用內(nèi)腔尺寸為50cmX50cmX 1.5cm的鋁盒，其中高度為1.5cm，長(zhǎng)度或?qū)挾染鶠?0cm。 將其四個(gè)側(cè)面用吸波材料4貼上(輸入端口 2和接收端口 3除外)，形成一個(gè)準(zhǔn)二維的腔 體。在相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上的位置，分別有輸入端口 2和接收端口 3，其中接收端口 3通過 滑動(dòng)窗口安裝在金屬盒1的側(cè)面，可以在該側(cè)面向兩側(cè)移動(dòng)，如圖中箭頭所示。輸入端 口 2和接收端口 3分別通過一個(gè)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器5經(jīng)由微波電纜6連接到電磁波測(cè)量?jī)x7 上。電磁波測(cè)量?jī)x7從輸入端口 2輸入一個(gè)電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)在腔體內(nèi)傳輸一段 距離后，可以形成準(zhǔn)二維的平面波，接收端口3接收的信號(hào)強(qiáng)度可以通過S參數(shù)的測(cè)量方 便地得到，通過移動(dòng)接收端口 3，可以測(cè)出不同位置的信號(hào)強(qiáng)度。[0026]利用上述的測(cè)量裝置，對(duì)如圖2所示四種狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量a.空腔b.圓 柱金屬c.圓柱金屬外罩有隱形結(jié)構(gòu)和d.僅有隱形結(jié)構(gòu)，接收端在隱形結(jié)構(gòu)正后方士20cm 范圍內(nèi)移動(dòng)。測(cè)量所得的S21反映了接收信號(hào)的強(qiáng)度，如下式所示
PS21 =IOlg其中Ps為輸入信號(hào)功率，Pi為i狀態(tài)下接收信號(hào)功率，這里i = a，b，C, d。 b狀態(tài)和c狀態(tài)測(cè)得的S21扣除作為參考的a狀態(tài)下的S21，具有如下形式AS21ba = S21b - S2la = IOlg登
PA1S21co = S21c - S2la = IOlgfAS21ba表征了圓柱金屬造成的接收信號(hào)強(qiáng)度的變化，而AS21ca表征了罩有特 異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)后接收信號(hào)強(qiáng)度的變化。理論上可以預(yù)期，在圓柱金屬的正后方區(qū)域， AS21ba小于零，這可以看作是圓柱金屬形成的陰影區(qū)域，而在兩側(cè)的其它位置會(huì)存在特 定位置AS21ba大于零，這可以看作是圓柱金屬形成的散射加強(qiáng)區(qū)域。而在圓柱金屬外 罩有隱形結(jié)構(gòu)之后，理論上的最理想的情況是Δ S21ca等于零。實(shí)際中罩有隱形結(jié)構(gòu)后， 會(huì)看到上述陰影效應(yīng)和散射加強(qiáng)效應(yīng)被削弱。在實(shí)際工作頻率下，不同位置接收信號(hào)強(qiáng)度變化如附圖3所示。對(duì)于b狀態(tài)，可 以看出，在中心位置士5cm的范圍內(nèi)，圓柱金屬引起了接收信號(hào)的明顯減弱(5 7dB)， 這一區(qū)域范圍可以看作是圓柱金屬的陰影區(qū)域。對(duì)于c狀態(tài)，可以看出在圓柱金屬的陰 影區(qū)域，較之于b狀態(tài)信號(hào)強(qiáng)度更大(在士5cm的位置增強(qiáng)了 4.8dB)，AS21更接近于 理想狀態(tài)下的OdB。從這些特征可以看出，在增加了隱形結(jié)構(gòu)之后，圓柱金屬的陰影效 應(yīng)和散射效應(yīng)都被削弱，起到了預(yù)期的隱形效果。從兩條曲線的整體特征上看，增加了 隱形結(jié)構(gòu)之后，曲線變得更加平穩(wěn)，這反映出電磁場(chǎng)隨空間位置的變化趨于平緩，圓柱 金屬對(duì)準(zhǔn)二維自由空間電磁場(chǎng)的擾動(dòng)也被隱形結(jié)構(gòu)削弱，符合理論預(yù)期。為了進(jìn)一步驗(yàn)證隱形效果，將C狀態(tài)和d狀態(tài)的信號(hào)作一個(gè)比較
PAS21cd = S2lc - S2xd = IOlgf
"d理想情況下，隱形結(jié)構(gòu)將它內(nèi)部的空間區(qū)域與外部完全屏蔽，是否存在圓柱金屬 對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度沒有影響。如附圖4所示，在士3 9cm附近，兩者相差在IdB以下。由此可見，本實(shí)用新型避開整個(gè)場(chǎng)分布的測(cè)量，而將焦點(diǎn)集中于隱形結(jié)構(gòu)背后 特殊位置的信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量。從而可以降低測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，縮短實(shí)驗(yàn)周期，而 達(dá)到同樣的測(cè)量效果。本實(shí)用新型的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本實(shí)用新型的范圍限制在上述 實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不 脫離本實(shí)用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實(shí)用新型可以以其他形式來實(shí)現(xiàn)。在 不脫離本實(shí)用新型范圍和精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其他變形和改 變。
權(quán)利要求1.一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置，其特征在于，包括 金屬盒(1)，其形狀為一個(gè)扁平的長(zhǎng)方體；吸波材料(4)，覆蓋于所述金屬盒(1)的四個(gè)側(cè)面；輸入端口(2)和接收端口(3)，分別位于所述金屬盒(1)的相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上； 電磁波測(cè)量?jī)x(7)，分別與輸入端口(2)和接收端口(3)連接； 其中，所述接收端口(3)通過滑動(dòng)窗口安裝在所述金屬盒(1)的側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置，其特征在于在所述 輸入端口(2)和接收端口(3)處分別設(shè)有波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器(5)，所述輸入端口(2)和接收 端口⑶分別通過其波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器(5)經(jīng)由微波電纜(6)與電磁波測(cè)量?jī)x(7)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置，其特征在于所述金 屬盒(1)的長(zhǎng)度或?qū)挾却笥诟叨?0倍以上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)快速測(cè)量裝置，包括一個(gè)扁平的長(zhǎng)方體金屬盒，覆蓋于金屬盒的四個(gè)側(cè)面的吸波材料，分別位于金屬盒的相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上的輸入端口和接收端口，分別與輸入端口和接收端口經(jīng)由微波電纜和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器連接的電磁波測(cè)量?jī)x；其中，接收端口通過滑動(dòng)窗口安裝在金屬盒的側(cè)面，可以在該側(cè)面向兩側(cè)自由移動(dòng)。利用本裝置在輸入端口輸入一個(gè)電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)在腔體內(nèi)傳輸一段距離后，可以形成準(zhǔn)二維的平面波，通過在接收端口對(duì)不同位置電磁波信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，可以表征特異介質(zhì)隱形結(jié)構(gòu)的隱形效果。本實(shí)用新型可以有效降低測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，縮短實(shí)驗(yàn)周期，而達(dá)到應(yīng)有的測(cè)量效果。
文檔編號(hào)G01R29/08GK201796090SQ20102053952
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者孫曉瑋, 李凌云, 錢蓉, 聞孺銘 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所