用自由空间法测试介质电磁参数_唐宗熙

第1期2006年1月电 子 学 报ACTAELECTRONICASINICAVo.l34 No.1

Jan. 2006

用自由空间法测试介质电磁参数

唐宗熙,张 彪

(电子科技大学电子工程学院,四川成都610054)

摘 要: 提出了一种测试介质材料微波复介电常数和复磁导率的新方法;建立了测试方法的物理模型;通过理

论分析,获得了求解被测材料微波电磁参数的计算表达式;研制了测试装置和测试系统,讨论了用于测试系统的校准方法和提高测试准确度的时域门技术.在8~12GHz的频带范围内,对多种介质材料进行了实测,结果表明,本文提出的测试方法和研制的测试系统是正确可靠的,具有实用价值.

关键词: 微波;介质;复介电常数;复磁导率;测量

中图分类号: TM934172 文献标识码: A 文章编号: 0372-2112(2006)01-0189-04

Free-SpaceMeasurementofComplexPermittivityandComplexPermeabilityofMedium

TANGZong-x,iZHANGBiao

(CollegeofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu,Sichuan610054,China)

Abstract: Anewmethodispresentedtodeterminethecomplexpermittivityandcomplexpermeabilityofelec-tromagneticmediumatmicrowavefrequencies.Thephysicalmodelofthemethodissetup,andtheformulasforcalcu-lationofthemicrowaveparametersofthematerialsareobtainedbytheoreticalanalysis.Thetestsetupandtestsystemaredeveloped,andthetmie-domaingatingtechniqueandthecalibrationtechniquearediscussed.Severalmaterialsweremeasuredinthefrequencyrangeof8~12GHz,andtheresultsindicatethatthetestmethodandsystemarecor-rec,treliableandpractica.l

Keywords: microwave;medium;complexpermittivity;complexpermeability;measurement

1 引言

微波介质材料作为电磁波传播媒质已广泛用于微波

领域中.微波介质材料的电磁参数(即复介电常数和复磁导率)是表征其微波性能的、十分重要的基本参数,它体现了材料对电磁波的作用.在研制、生产和使用微波介质材料时,准确地测试其微波电磁参数是必须的.

微波介质材料的电磁参数通常采用传输法进行测试.

[1][2][3,4]

常见的传输法有带状线法、同轴线法、矩形波导法

[5~10]

和自由空间法等.由于同轴线法和矩形波导法等闭场法要求待测的材料样品与同轴线或矩形波导的横向尺寸紧密配合,这给实际加工和测试带来了困难.若所测的样品与同轴线或矩形波导的配合存在间隙,必然会给测试带

[10]

来较大的测试误差,而自由空间法不会出现类似的问题.文献[5~10]均采用自由空间法对微波介质材料的电参数或电磁参数进行了测试研究,所讨论的测试方法均有各自的特点和适用范围,所测试的样品材料均为板状.然而,通过机械加工的板状样品材料,其厚度均匀性虽然容易得到满足,但因板面较大,加工后的样品往往呈现微小

收稿日期:2005-02-21;修回日期:2005-07-16

的弯曲状,其平面度不易得到满足.平面度的不理想对散

射参数S21的测试误差影响较小,而对散射参数S11的测试影响较大,从而给材料的电磁参数带来较大的测试误差.文献[10]采用自由空间法对弯曲的板状介质材料进行了测试研究,从实验上探讨了S11和S21对测试结果的影响,从而证实了上述结论.所以,该文献仅用S21来测试弯曲板状电介质材料的介电常数,未能测得材料的磁参数.为了同时解决准确测试介质材料的电磁参数问题,且考虑到多数加工成型的板状样品材料朝某一面有微小弯曲的特征,本文提出了一种新的测试方案,从而解决了这一问题,即在测得S21后,将带有微小弯曲板状样品的凸面背靠平面度、光洁度和机械强度都较高的良导金属短路板,用紧固螺钉在短路板四角上将样品紧压在正方形的金属样品框上,框内样品的另一面面对空气,电磁波在此面进行入射和反射,然后完成对S11的测试.由于金属板平面度、光洁度和机械强度较高,且加有一定的压力,所以带有微小弯曲的板状材料被压平,从而满足了准确测试S11对样品的平面度的要求.在测得复数的S21和短路情况下的S11后,采用推得的公式,就可以算出被测材料的电磁参数.

190电 子 学 报 2006年

2 测试原理

设理想被测板状介质样品材料的厚度为d,横向尺寸为无穷大,复介电常数可写为

E=EcnD(1)0Er(1-jtaE)

式中,Ec0为真空中的电容率,Er为相对介电常数的实部,tanDE为电损耗角正切.复磁导率可写为

L=LcnD(2)0Lr(1-jtaL)

式中L0为真空中的磁导率,Lcr为相对磁导率的实部,tanDL为磁损耗角正切.被测介质板终端无短路板情况如图1(a)所示,自由空间的线极化平面波向被测板状介质材料样品垂直入射,极化为x方向.电磁波在透过介质板后继续向z方向传播,对其进行测试,可测得样品板构成二端口网络的S21散射参数.图1(b)为介质板终端加短路板的情况,电磁波在进入介质板后在z=d处进行全反射,该反射波与z=0处的反射波迭加在一起,沿-z方向传播,对其测试可得由样品板构成的单端口网络的S11散射参数.从麦克斯韦方程和边界条件出发,可得求解介质材料微波电磁参数的表

达式

面波[7].将被测板状样品材料的输入面置于焦平面处,线极化平面波向样品板入射.在透过厚度为d的样品板后,电磁波的幅度和相位将发生改变.待测电磁波信号经接收聚焦透镜天线和模式转换器后,进入矢量网络分析仪的端口2进行S21散射参数的测试.同理,将图2中样品架的被测板状样品输出端用良导金属平板短路,电磁波在金属短路板处将产生全反射,在板状样品输入端的反射信号将返回矢量网络分析仪的端口1,通过对反射信号的测试便可测得单面短路样品板作为单端口网络的S11散射参数.将测试的S11和S21代入式(3)~(4),便可解得介质材料的电磁参数,从而完成测试工作.

在进行介质材料测试之前,必须对测试系统进行校准.本文采用TRL方法进行校准,该校准方法不仅适用于许多特殊环境的校准,而且校准的剩余误差也较小[7].在校准之前,将矢量网络分析仪内存的校准件参数作相应地更改,以适应自由空间TRL方法的校准.选定两透镜天线的共焦面作为参考

S11(1+

rr)+(1-r/Er)]e

2

-j2X

rr)+[S11(1-=0rr)e

2-j2X

rr)

(3)

]

(4)

面,在共焦面处未放被测样品材料的情况下进行直通校准;然

后在共焦面处放置短路板,在该状态下,对输入和输出端进行反射校准;最后,将两聚焦透镜天线的相对距离增加四分之一中心频率的波长进行传输校准,从而完成校准工作.将校准数据存入矢量网络分析仪的内存,以便在测试时进行误差修正调用.

为了提高测试精度和稳定性,矢量网络分析仪应选用频综扫源;校准和测试时,适当增加矢量网络分析仪的平均次数,以减小噪声对测试结果的影响;为了提高校准精度,短路板校准件的平面度和光滑度均有较高要求,且选用导电性能好的硬金属材料制作;两透镜天线的间距变化采用精密传动和测距,测距的精度应优于0.01mm;为了减小发射天线出来的电磁波绕过被测样品进入接收天线给测试带来的影响,被测样品的横截面尺寸应适当取大一点,一般取中心频率的六倍波长以上;为了克服信号源与被测样品之间存在的无穷反射给测试带来的影响,本文采用矢量网络分析仪的时域门技术,从而有效地提高了测试精度.

+(1+ S21[(1+ -4

rr)-(1-rre

-jX

=0

式中,X为测试信号的角频率,Er为复相对介电常数,Lr为

复相对磁导率,S21为图1(a)所示情况下的散射参数,S11为图1(b)所示情况下的散射参数.在分别测得S21和S11散射参数后,将式(3)~(4)联立求解可得被测材料的电磁参数.若网络分析仪为扫频工作,在每一测试频率点重复上述过程,可测得微波介质材料电磁参数随频率变化特性.

3 测试系统

微波介质材料电磁参数测试系统如图2所示,微波信号由微波扫频源产生,发射和接收天线均为聚焦透镜天线,两天线的间距为天线焦距的2倍,被测样品放在两天线的共焦面处.微波信号从矢量网络分析仪的端口1输出,传输线为同轴线,传输的电磁波为TEM波.为了在被测样品处获得线极化平面波,在电磁波发射之前,应将同轴线的TEM波转化为矩形波导的TE10波,图2中的模式转换器将完成这一波型转换.由模式转换器出来的波进入聚焦透镜天线后向空间发射,然后在透镜天线的焦平面处会聚.设计时,适当选择聚焦透镜天似为远平

4 实验结果

按照图2的方框图组建微波介质材料电磁参数测试系统,该测试系统的工作频率为8~12GHz,微波信号源为HP8341,网络分析仪为HP8510B,平均因子取64,用TRL方法对测试系统进行校准,并采用时域门技术.通过实测,,即S

第 1 期唐宗熙:用自由空间法测试介质电磁参数191

误差分别为?0.05dB和?0.5b,S21幅度和相位的剩余误差为?0.03dB和?0.5b.

为了验证理论分析的正确性和测试系统的准确性,本文采用空气和纯聚四氟乙烯材料作为标准介质样品进行实验验证,这是因为空气和纯聚四氟乙烯材料的复介电常数和复磁导率是人们所熟知的.首先用空气作为标准介质样品进行实验验证.在测试系统校准完后,通过精密调距装置增加两聚焦透镜天线的距离,以形成厚度d=5mm的被测空气介质样品,在此状态下,测试空气的复介电常数和复磁导率,测试结果如图3(a)所示.从图3(a)可以看出,在8~12GHz的频率下,空气的Ecc,r和Lr均接近于1而tanD,说明实测值与理论值(E,E和tanDL均接近于0r=1Lr=1)是吻合的.同理,用纯聚四氟乙烯低耗材料作为标准介质样品进行实验验证.因纯聚四氟乙烯材料是未掺杂的非磁性(Lr=1)材料,所以,不同文献发表的实测值应具有可比性.图3(b)给出了本文对纯聚四氟乙烯材料进行测试的实测结果,与文献[11]给出的纯聚四氟乙烯实测值Ecr=2.05进行比较,吻合较好,再次证明本文的理论分析是正确的,测试系统是可靠的.图3(c)和(d)分别给出了聚苯乙烯和大损耗介质材料的实测结果.表1给出了大损耗介质材料在10GHz频率下重复测试5次的实测结果.实测Ec.034,tanD.0055,Lcr的标准偏差为0E的标准偏差为0r的标准偏差为0.0071,tanD.0071,表明该测L的标准偏差为0试系统具有较好的重复性

.

5 结论

考虑到多数加工成型的被测板状样品材料通常存在微小弯曲的特征,本文提出了由被测样品板构成的终端短路和传输两种状态的二端口网络测试方案,有效地解决了因样品板弯曲给测试结果带来较大误差的问题.同时,对所建立的测试模型进行了理论分析,组建了采用聚焦透镜天线的介质材料电磁参数测试系统,讨论了实现测试系统校准的TRL方法和提高测试精度的时域门技术.通过对不同样品的测试,验证了测试方案的可行性和合理性,以及理论分析的正确性和测试系统的准确性和重复性.实测结果表明,该测试方法和测试系统具有较大的实用价值.参考文献:

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表1 大损耗介质材料电磁参数重复测试结果(f=10GHz)序号

rtanDELcrtanDL

112.380.261.110.62

212.370.261.110.63

312.450.271.120.61

412.420.271.100.62

512.430.261.110.62

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作者简介:

唐宗熙 男,1956年6月出生于重庆市,现为电子科技大学电子工程学院教授、博士生导师,获国家发明奖、电子部、信息产业部、国防科工委科技进步奖9项,发表学术论文30余篇.E-mai:lzxtang@

.

张 彪 男,1973年出生于四川达州,现为电子科技大学电子工程学院工程师,获国防科工委科技进步奖1项.

E-mai:lzhangbiao@.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/55re.html