专利名称：一种特异介质隐形结构快速测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种特异介质的测量装置，尤其是指一种特异介质隐形结构快 速测量装置。
背景技术：
按，照国际通 亍定义Metamaterials are materials which owe their properties to subwavelength details of structure rather than to their chemiacal composition。物质的性质由尺
度决定。特异介质的特殊性就在于——它的性质不是由它的化学组成而决定，而是由它 的亚波长结构决定。特异介质是一种特殊的人造结构，并不存在于自然界中。也正因为 特异介质的特殊性，它表现出很多不同于通常介质的特殊性能。通常介质的ε和μ都大 于等于1，但是特异介质的ε和μ却能够小于1甚至小于0。按照ε和μ所在区间， 能进一步把特异介质分为隐形材料(ε或μ小于1)和左手介质(ε和μ都小于0)。近年来，特异介质引起人们越来越广泛的关注，而基于特异介质的隐形结构也 成为非常热门的研究领域。基于特异介质的隐形结构的思想为让电磁波绕过隐形结构 向前传播，使得隐形结构外面的空间区域电磁场没有任何变化，从而让观察者感觉好像 和空间中没有任何物体一样，从而达到隐形的效果。理论计算表明，当结构的ε和μ有一个特殊的分布的时候，电磁波能绕过隐形 结构向前传播。而这种特殊的ε和μ的分布，可以利用特异介质来实现。在理论上已经提出了很多隐形结构，并且被计算机仿真所验证，但在具体物理 上实现并进行测量的工作却相对较少。主要有两点困难首先，隐形结构对电磁参数ε 和μ的要求往往比较苛刻，给具体物理实现带来很多困难；其次，目前的一般实验方法 是对整个场分布的测量，然后再与计算机仿真结果作对比，该方法能很直观形象地给出 电磁场的分布图，但系统较复杂、实验周期较长。以Smith等的测量装置为例。(参考文献为Spatial mapping of the internal and external electromagnetic fields of negative index metamaterials，2006, Optics Express, Vol.14, 8694)两块平铝板平行放置形成一个准二维区域。在底盘上，用裁成锯齿状的吸 波材料围成一个目标区域，用同轴波导转换将电磁波引入目标区域。在顶盘上，装有一 个同轴天线来测量目标区域内的电磁场。实验中，将样品放入目标区域，输入端产生微 波波段的电磁波，通过计算机控制步进电机沿两个垂直方向对整个区域内的电磁场进行 逐点扫描，将传输信号S21通过MATLAB软件绘制出电磁场的分布图。该装置结构复 杂，成本较高。由于需要对约200X200个数据(几万甚至几十万)进行逐点扫描，再经 过后台的计算机运算得到整个场分布，实验的时间周期较长。
实用新型内容本实用新型主要解决的技术问题在于提供一种特异介质隐形结构快速测量装置。[0008]为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案一种特异介质隐形结构快速测量装置，包括金属盒，其形状为一个扁平的长方体；吸波材料，覆盖于所述金属盒的四个侧面；输入端口和接收端口，分别位于所述金属盒的相对的两个侧面上；电磁波测量仪，分别与输入端口和接收端口连接；其中，所述接收端口通过滑动窗口安装在所述金属盒的侧面，可以在该侧面向 两侧自由移动，从而可以快速测量不同接收位置处的信号强度。作为本实用新型的优选方案，在所述输入端口和接收端口处分别设有波导同轴 转换器，所述输入端口和接收端口分别通过其波导同轴转换器经由微波电缆与电磁波测 量仪连接。作为本实用新型的优选方案，所述金属盒的长度或宽度大于高度30倍以上。本实用新型的有益效果在于本实用新型的测量装置可以避开整个场分布的测 量，而将焦点集中于特异介质隐形结构背后的特殊位置，即观察者的角度，对信号强度 进行测量。从而可以降低测量装置的结构复杂性，缩短实验周期，并达到良好的测量效果。
图1为本实用新型的测量装置俯视示意图；图2为本实用新型具体实施方式
中的四种测量状态示意图，其中，a.空盒，b.圆柱金属，C.圆柱金属外罩有隐形结构，d.仅有隐形结构；图3为本实用新型具体实施方式
中的接收信号强度变化图；图4为本实用新型具体实施方式
中的接收信号强度变化图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本实用新型的具体实施方式
。参见图1，本实用新型提供的特异介质隐形结构快速测量装置，包括金属盒 1、吸波材料4、输入端口 2、接收端口 3、电磁波测量仪7，以及微波电缆6和波导同轴 转换器5。在一具体实施例中，金属盒1为一个高度略大于待测隐形结构高度，但远小于 其长度或宽度的扁平长方体，即该金属盒的长度或宽度大于高度30倍以上。例如，可采 用内腔尺寸为50cmX50cmX 1.5cm的铝盒，其中高度为1.5cm，长度或宽度均为50cm。 将其四个侧面用吸波材料4贴上(输入端口 2和接收端口 3除外)，形成一个准二维的腔 体。在相对的两个侧面上的位置，分别有输入端口 2和接收端口 3，其中接收端口 3通过 滑动窗口安装在金属盒1的侧面，可以在该侧面向两侧移动，如图中箭头所示。输入端 口 2和接收端口 3分别通过一个波导同轴转换器5经由微波电缆6连接到电磁波测量仪7 上。电磁波测量仪7从输入端口 2输入一个电磁波信号，电磁波信号在腔体内传输一段 距离后，可以形成准二维的平面波，接收端口3接收的信号强度可以通过S参数的测量方 便地得到，通过移动接收端口 3，可以测出不同位置的信号强度。[0026]利用上述的测量装置，对如图2所示四种状态进行信号强度测量a.空腔b.圆 柱金属c.圆柱金属外罩有隐形结构和d.仅有隐形结构，接收端在隐形结构正后方士20cm 范围内移动。测量所得的S21反映了接收信号的强度，如下式所示
PS21 =IOlg其中Ps为输入信号功率，Pi为i状态下接收信号功率，这里i = a，b，C, d。 b状态和c状态测得的S21扣除作为参考的a状态下的S21，具有如下形式AS21ba = S21b - S2la = IOlg登
PA1S21co = S21c - S2la = IOlgfAS21ba表征了圆柱金属造成的接收信号强度的变化，而AS21ca表征了罩有特 异介质隐形结构后接收信号强度的变化。理论上可以预期，在圆柱金属的正后方区域， AS21ba小于零，这可以看作是圆柱金属形成的阴影区域，而在两侧的其它位置会存在特 定位置AS21ba大于零，这可以看作是圆柱金属形成的散射加强区域。而在圆柱金属外 罩有隐形结构之后，理论上的最理想的情况是Δ S21ca等于零。实际中罩有隐形结构后， 会看到上述阴影效应和散射加强效应被削弱。在实际工作频率下，不同位置接收信号强度变化如附图3所示。对于b状态，可 以看出，在中心位置士5cm的范围内，圆柱金属引起了接收信号的明显减弱(5 7dB)， 这一区域范围可以看作是圆柱金属的阴影区域。对于c状态，可以看出在圆柱金属的阴 影区域，较之于b状态信号强度更大(在士5cm的位置增强了 4.8dB)，AS21更接近于 理想状态下的OdB。从这些特征可以看出，在增加了隐形结构之后，圆柱金属的阴影效 应和散射效应都被削弱，起到了预期的隐形效果。从两条曲线的整体特征上看，增加了 隐形结构之后，曲线变得更加平稳，这反映出电磁场随空间位置的变化趋于平缓，圆柱 金属对准二维自由空间电磁场的扰动也被隐形结构削弱，符合理论预期。为了进一步验证隐形效果，将C状态和d状态的信号作一个比较
PAS21cd = S2lc - S2xd = IOlgf
"d理想情况下，隐形结构将它内部的空间区域与外部完全屏蔽，是否存在圆柱金属 对接收信号强度没有影响。如附图4所示，在士3 9cm附近，两者相差在IdB以下。由此可见，本实用新型避开整个场分布的测量，而将焦点集中于隐形结构背后 特殊位置的信号强度的测量。从而可以降低测量装置的结构复杂性，缩短实验周期，而 达到同样的测量效果。本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述 实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人 员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不 脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其他形式来实现。在 不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改 变。
权利要求1.一种特异介质隐形结构快速测量装置，其特征在于，包括 金属盒(1)，其形状为一个扁平的长方体；吸波材料(4)，覆盖于所述金属盒(1)的四个侧面；输入端口(2)和接收端口(3)，分别位于所述金属盒(1)的相对的两个侧面上； 电磁波测量仪(7)，分别与输入端口(2)和接收端口(3)连接； 其中，所述接收端口(3)通过滑动窗口安装在所述金属盒(1)的侧面。
2.根据权利要求1所述一种特异介质隐形结构快速测量装置，其特征在于在所述 输入端口(2)和接收端口(3)处分别设有波导同轴转换器(5)，所述输入端口(2)和接收 端口⑶分别通过其波导同轴转换器(5)经由微波电缆(6)与电磁波测量仪(7)连接。
3.根据权利要求1所述一种特异介质隐形结构快速测量装置，其特征在于所述金 属盒(1)的长度或宽度大于高度30倍以上。
专利摘要本实用新型公开了一种特异介质隐形结构快速测量装置，包括一个扁平的长方体金属盒，覆盖于金属盒的四个侧面的吸波材料，分别位于金属盒的相对的两个侧面上的输入端口和接收端口，分别与输入端口和接收端口经由微波电缆和波导同轴转换器连接的电磁波测量仪；其中，接收端口通过滑动窗口安装在金属盒的侧面，可以在该侧面向两侧自由移动。利用本装置在输入端口输入一个电磁波信号，电磁波信号在腔体内传输一段距离后，可以形成准二维的平面波，通过在接收端口对不同位置电磁波信号强度的测量，可以表征特异介质隐形结构的隐形效果。本实用新型可以有效降低测量装置的结构复杂性，缩短实验周期，而达到应有的测量效果。
文档编号G01R29/08GK201796090SQ20102053952
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者孙晓玮, 李凌云, 钱蓉, 闻孺铭 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所
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