一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种固体介质材料微波特性参数测量的系统和方法，该方法利用传输/反射法建立测量模型，并通过两次设置变量简化了传输/反射法的求解过程。系统采用了同轴线传输与波导线传输相结合的方式，实现了在30MHz~50GHz的宽频段范围内对被测介质的电磁参数进行测量的目的。而在测量过程中对波导夹具进行调整，避免了测量被测介质时出现的厚度谐振问题。综上所述，本发明的系统和方法测量电磁参数过程简单，易于通过计算机等辅助设备求解，且测量范围较宽，求解更精确，也避免了厚度谐振问题的出现。
【专利说明】一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料的电磁参数测量【技术领域】，特别涉及一种固体介质材料微波特性 参数测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 由麦克斯韦电磁场理论可知，能够用两个基本的电磁参数来表征材料与电磁场的 相互作用，描述材料在电磁场中的电磁特性，这两个电磁参数即为相对复介电常数和相对 复磁导率。然而对材料电磁参数的提取，须通过实验的方法获得。因此，随着材料在电子对 抗方面的发展和应用，材料电磁参数的测量也起到越来越重要的作用。
[0003] 电磁参数测量的方法按电磁参数测量原理的不同，可分为两类，分别为网络参数 法和谐振腔法。近年来，随着矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA)技术的发 展，网络参数法得到了广泛的应用。该类方法将被测介质及其传感器等效为单端口或双端 口网络，利用矢量网络分析仪测量得到该网络的反射系数或散射矩阵，再根据相应的算法 计算被测材料的电磁参数。该类方法主要有传输反射法、自由空间法、多状态法及多厚度法 等。其中，传输/反射法是一种最简单而且具有较高精度的一种材料电磁参数的测量方法。 这种方法实际上是一种双端口传输线法，将待测材料样品置于空气传输线（矩形波导或者 同轴线）中，通过矢量网络分析仪（VNA)或多端口技术测量该传输线的散射参数，再根据散 射方差推算处待测介质传输线段的传输系数和反射系数，最后计算出材料的相对复介电常 数和相对复磁导率。
[0004] 现有的传输/反射法中，由Nicolson和Ross提出、Weil拓展的传输/反射法（也 即NRW传输/反射法）具有操作简单、测量速度快、测量频带宽、无辐射损耗及测量精度较 高等优点而得到广泛应用，但该方法往往存在着厚度谐振问题。厚度谐振是指测试样品厚 度刚好是半个波导波长的整数倍时，导致复介电常数的测量不确定度增大。此外，现有的测 量系统往往测量频段范围较窄，且传输/反射法中测量电磁参数的求解过程复杂。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法，以解决 现有技术中传输/反射法测量被测介质时出现的厚度谐振的问题。
[0006] 本发明的第二目的在于，提供一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法， 以实现在30MHz?50GHz的宽频段范围内对被测介质的电磁参数进行测量。
[0007] 本发明的第三目的在于，提供一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法， 以实现简化传输/反射法中测量电磁参数的求解过程，并获得为更精确的电磁参数测试结 果。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种固体介质材料微波特性参数测量方法，包括 以下步骤：
[0009] Sl :建立固体材料微波特性的二端口网络测量模型；
[0010] S2 :对所述二端口网络测量模型进行调整，以避免被测介质出现厚度谐振；
[0011] S3 :对调整后的二端口网络的参数S11和S21进行测量；
[0012] S4 :根据测量得到的S11和S21求解介质材料的微波特性参数；
[0013] 其中：所述步骤S3具体包括：
[0014] S31 :使用传输反射法在30MHz?18GHz频段采用同轴线传输；测量在30MHz? 18GHz频段范围内的S11和S 21 ;
[0015] S32 :使用传输反射法在 18GHz ?26. 5GHz、26. 5GHz ?40GHz、40GHz ?50GHz 频段 采用波导传输，并测量在18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz?50GHz频段范围内 的 S11 和 S21。
[0016] 较佳地，所述波导为定制波导，按照18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz? 50GHz频段，对应18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz?50GHz三个频段的三种规格 的波导。
[0017] 较佳地，所述二端口网络测量模型包括被测介质、测试夹具，所述被测介质置于所 述测试夹具内，设被测介质均匀分布、各向同性、厚度为d，填充同轴线或波导时，与所述同 轴线或波导内腔贴合，被测介质在所述同轴线或波导内腔内具有两端面，两端面均与同轴 线或波导内腔内的空气接触；测量时，频率为f线极化均匀平面波E i由空气中向所述被测 介质的一个端面垂直入射，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波进入被测介质材料并向 前传播，在被测介质的另一端面又遇到不连续性，其中一部分电磁波又被反射，另一部分电 磁波透过该交界面继续向前传播，形成透射波。
[0018] 较佳地，所述步骤S2中对所述二端口网络测量模型进行调整具体为对所述波导 夹具进行调整。
[0019] 较佳地，对所述波导夹具进行调整具体为：采用一厚度为λ /4的偏移片作为测试 夹具，将一定厚度的被测介质材料放置其中，其中，λ为测量所用的电磁波的波长。
[0020] 较佳地，依传输线法测量原理有：
[0021] er = k(l-r)/[k0(l+r)] (I)
[0022] μΓ = k(l+r)/[k0(l-r)] (2)
【权利要求】
1. 一种固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 51 :建立固体材料微波特性的二端口网络测量模型； 52 :对所述二端口网络测量模型进行调整，以避免被测介质出现厚度谐振； 53 :对调整后的二端口网络的参数S11和S21进行测量； 54 :根据测量得到的S11和S21求解介质材料的微波特性参数； 其中：所述步骤S3具体包括： 531 :使用传输反射法在30MHz?18GHz频段采用同轴线传输；测量在30MHz?18GHz 频段范围内的S11和S21 ; 532 :使用传输反射法在18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz?50GHz频段采用 波导传输，并测量在18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz?50GHz频段范围内的S11 和S21。
2. 根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述 波导为定制波导，按照18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz?50GHz频段，对应 18GHz?26. 5GHz、26. 5GHz?40GHz、40GHz?50GHz三个频段的三种规格的波导。
3. 根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述二 端口网络测量模型包括被测介质、测试夹具，所述被测介质置于所述测试夹具内，设被测介 质均匀分布、各向同性、厚度为山填充同轴线或波导时，与所述同轴线或波导内腔贴合，被 测介质在所述同轴线或波导内腔内具有两端面，两端面均与同轴线或波导内腔内的空气接 触；测量时，频率为f线极化均匀平面波Ei由空气中向所述被测介质的一个端面垂直入射， 一部分电磁波被反射，另一部分电磁波进入被测介质材料并向前传播，在被测介质的另一 端面又遇到不连续性，其中一部分电磁波又被反射，另一部分电磁波透过该交界面继续向 前传播，形成透射波。
4. 根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述步 骤S2中对所述二端口网络测量模型进行调整具体为对所述波导夹具进行调整。
5. 根据权利要求4所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，对所述 波导夹具进行调整具体为：采用一厚度为λ/4的偏移片作为测试夹具，将一定厚度的被测 介质材料放置其中，其中，λ为测量所用的电磁波的波长。
6. 根据权利要求3所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，依传输 线法测量原理有： er =k(l-r)/[k0(l+r)] (1) μΓ =k(l+r)/[k〇(l-r)] (2) ^ 〇-r2)r 11 ^I-F1T2 (3) -(1-/,Γ (A) O-JI- ；Γ- \ f / 」I-厂了2 其中，μ^为被测介质的复磁导率，ε^为被测介质的复介电常数，Γ为反射系数，T为 传输系数，灸=*〇^^，~ = ￡^^0^<口(1为真空的复磁导率，￡(|为真空的复介电常数， ω为电磁波的角频率； 设中间变量V1 =s21+sn，V2 =S21-S11,另一中间变量= 则有 VjV-J I
7. 根据权利要求6所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述步 骤S31中的采用同轴线传输时，设两个中间变量Ci、C2,其中，
其中，f为频率，d为被测介质厚度，Ctl为真空中的光速； 则有，
8. 根据权利要求6所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述步 骤S32中的进行波导线传输时，按式（11)求解填充试样的衰减量Λ: 丄=士(11) ΛΙπ?T 则有：
其中，λ〇为空气中的工作波长，^ =c/f，C为光速，f为频率，λ。为介质波长，ε^和μr分别为被测介质的复相对介电常数和复相对磁导率：ε^ =ε/-jε/，μ^ = μ/_jμ/，其中，ε'为相对介电常数实部，ε"为相对介电常数虚部，μ'为相对磁导率 实部，μ"为相对磁导率虚部。
9. 根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述同 轴线为N型空气线。
10. 根据权利要求7或8所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所 部步骤S4具体为：计算和L，同时按下式计算电介质损耗正切值tan^f和磁介质损 耗正切值:
其中，ε'为相对介电常数实部，ε"为相对介电常数虚部，μ'为相对磁导率实部，μ"为相对磁导率虚部。
11. 一种固体介质材料微波特性参数测量系统，其特征在于，包括：矢量网络分析仪及 其附件、测试夹具、第一测试电缆和第二测试电缆组成，所述测试夹具用于在其内部纵向放 置被测材料，放置有被测材料的测试夹具等效为一二端口网络，所述第一测试电缆与所述 测试夹具的一端相连，所述第二测试电缆与所述测试夹具的另一端相连，所述第一测试电 缆和第二测试电缆分别与所述矢量网络分析仪连接，所述矢量网络分析仪用于测量二端口 网络的S11和S21;还包括厚度为λ/4的偏移片，λ为测量所用的电磁波的波长，所述偏移 片用于调整波导夹具以测量空气的介电常数值。
12. 根据权利要求11所述的固体介质材料微波特性参数测量系统，其特征在于，该系 统对固体介质材料微波特性参数测量时，在30MHz?18GHz频段，由N型空气线的同轴线作 为测试夹具；在18GHz?50GHz由波导作为测试夹具。
【文档编号】G01N22/00GK104316544SQ201410659470
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】蔡青, 石雷兵, 陆福敏, 王炜, 王莉萍, 吴佳欢 申请人:上海市计量测试技术研究院