專利名稱：微波吸收材料的電磁參數(shù)測(cè)試方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波吸收材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)導(dǎo)磁率的測(cè)試方法及系統(tǒng)。
由于射頻到微波頻譜應(yīng)用的發(fā)展，特別是作為研究天然材料，人工合成材料和生物體組織的重要手段，以及在通訊和電子對(duì)抗方面的應(yīng)用，測(cè)量各種有機(jī)和無(wú)機(jī)的電介質(zhì)、半導(dǎo)體、鐵氧體等的復(fù)介電常數(shù)ε＝ε′-jε″和復(fù)導(dǎo)磁率μ＝μ′-jμ″愈來(lái)愈增加它的重要性，對(duì)于中、低損耗材料已有許多可靠的測(cè)量方法;對(duì)于高損耗材料，過(guò)去廣泛采用測(cè)量線的開路-短路法，但當(dāng)樣品損耗增高時(shí)，該方法的測(cè)量誤差顯著升高，靈敏度下降，其測(cè)量結(jié)果難以滿足要求。ADA 100764、ADA120577介紹了利用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量放樣品裝置的兩個(gè)散射系統(tǒng)S11和S21，按有關(guān)公式計(jì)算微波吸收材料的復(fù)導(dǎo)磁率。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由微波信號(hào)源，用于測(cè)量散射系數(shù)S11和S21的放樣品裝置以及微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)成，利用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確度提高技術(shù)，可以滿足目前的要求。
然而，微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不具備直接測(cè)量材料電磁參數(shù)的功能，當(dāng)需要這方面應(yīng)用時(shí)，還要解決一些特殊的技術(shù)問(wèn)題和計(jì)算程序。例如要自行設(shè)計(jì)帶狀線或其他結(jié)構(gòu)的放樣品裝置，及與這些結(jié)構(gòu)有關(guān)的轉(zhuǎn)換接頭;或配置高性能的同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換。這些都是高難度的工作，且往往不易得到滿意的結(jié)果。盡管微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的上限頻率已達(dá)到100GHz，但用它來(lái)測(cè)量ε、μ的最高頻率約為20GHz。此外，該類網(wǎng)絡(luò)分析儀價(jià)格昂貴(hp公司的8510A型，到20GHz的全套儀器售價(jià)18萬(wàn)美元)。
本發(fā)明的目的是提供一種微波吸收材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)導(dǎo)磁率的測(cè)試方法和系統(tǒng)。采用通常的微波元器件和電子儀器構(gòu)成干涉單元和能進(jìn)行四種不同測(cè)量轉(zhuǎn)換的放樣品裝置，采用定標(biāo)技術(shù)和比對(duì)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)用低價(jià)儀器高精度測(cè)量高損耗材料的基本電磁參數(shù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了下列措施S參數(shù)測(cè)量單元用微波干涉方法;放樣品裝置用于參考信號(hào)對(duì)S11和S21的定標(biāo)測(cè)量、反射測(cè)量、透射測(cè)量的轉(zhuǎn)換;利用定標(biāo)技術(shù)和比對(duì)測(cè)量方法得到散射系數(shù)S11和S21。所說(shuō)的定標(biāo)技術(shù)和比對(duì)測(cè)量方法是在測(cè)量S11和S21之前，分別將參考信號(hào)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，然后分別測(cè)量從樣品反射和透射的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行干涉后的駐波節(jié)點(diǎn)和衰減器讀數(shù)相對(duì)應(yīng)于定標(biāo)時(shí)的變化來(lái)獲得散射系數(shù)S11和S21。S參數(shù)測(cè)量單元是由衰減器、駐波測(cè)量線、隔離器、功率傳感器和指示器所組成。能進(jìn)行四種不同測(cè)量轉(zhuǎn)換的放樣品裝置含有對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行兩種定標(biāo)的元件。
本發(fā)明可以用現(xiàn)成的微波元、器件和電子儀器組合而成，不需另外設(shè)計(jì)放樣品的裝置。樣品是容易加工的長(zhǎng)方體，建立系統(tǒng)與操作均比較簡(jiǎn)單，不需計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差修正，適用于3～40GHz的寬廣頻段，每一波導(dǎo)頻段的價(jià)格不超過(guò)3萬(wàn)元人民幣，但能得到的測(cè)量精度不低于用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀所獲得的結(jié)果。
下面結(jié)合附圖
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
附圖是微波吸收材料的電磁參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的框圖。
微波鎖相信號(hào)源(1)通過(guò)隔離器(2)、10dB定向耦合器(3)將信號(hào)分成兩部分，其中一部分通過(guò)隔離器(4)、3dB定向耦合(5)和匹配負(fù)載(6)輸出源信號(hào)(Ⅱ)進(jìn)入放樣品的波導(dǎo)段(19)后，被匹配負(fù)載(22)吸收。其反射信號(hào)(Ⅲ)和透射信號(hào)(Ⅳ)分別通過(guò)兩個(gè)10dB定向耦合器(15)和(21)饋出。通過(guò)波導(dǎo)開關(guān)(23)選取其中一個(gè)進(jìn)入隔離器(14)到駐波測(cè)量線(11)。從定向耦合器(3)出來(lái)的另一部分信號(hào)(Ⅰ)通過(guò)隔離器(7)、可變衰減器(8)和精密回轉(zhuǎn)式可變衰減器(9)輸出參考信號(hào)，進(jìn)入隔離器(10)到駐波測(cè)量線(11)。在測(cè)量線(11)中幅度可調(diào)節(jié)的參考信號(hào)與經(jīng)定向耦合器出來(lái)的反射信號(hào)(或透射信號(hào))進(jìn)行干涉，形成駐波。用高靈敏度的微波功率傳感器(10-9～10-10瓦)(12)和功率指示器(13)進(jìn)行探測(cè)和指示。波導(dǎo)開關(guān)(16)由兩個(gè)波導(dǎo)開關(guān)裝成，能工作在(a)、(b)、(c)三個(gè)位置，當(dāng)(16)在位置(a)時(shí)，與S11的定標(biāo)元件(17)接通，用于參考信號(hào)對(duì)S11的定標(biāo)測(cè)量。當(dāng)(16)在位置(b)時(shí)，與S21的定標(biāo)元件(18)接通;當(dāng)(16)在位置(c)時(shí)，與放樣品的波導(dǎo)段(19)接通。(18)、(19)是一段具有同樣長(zhǎng)度的波導(dǎo)，波導(dǎo)開關(guān)(20)可以分別與(18)、(19)接通。當(dāng)(16)在(b)處，(20)在(d)處，則用于對(duì)參考信號(hào)S21的定標(biāo)測(cè)量;當(dāng)(16)在(c)處，(20)在(e)處，配合波導(dǎo)開關(guān)(23)則可分別進(jìn)行反射和透射測(cè)量。參考信號(hào)進(jìn)行兩種定標(biāo)的元件是由一節(jié)短波導(dǎo)和短路板構(gòu)成和單獨(dú)由一節(jié)波導(dǎo)構(gòu)成。
系統(tǒng)中(1)～(6)的作用是把微波信號(hào)分成足夠隔離度的兩路，即參考信號(hào)(Ⅰ)和源信號(hào)(Ⅱ)。(7)～(14)構(gòu)成微波干涉單元，這里測(cè)量線起精密相位計(jì)的作用。(15)～(23)構(gòu)成用于參考信號(hào)對(duì)S11和S21的定標(biāo)測(cè)量、反射和透射測(cè)量轉(zhuǎn)換的放樣品裝置。其中(15)、(16)、(18)、(20)、(21)、(22)構(gòu)成對(duì)S21的定標(biāo)支路，(15)、(16)、(19)、(20)、(21)、(22)構(gòu)成放樣品的支路。當(dāng)后者不含樣品時(shí)，這兩個(gè)支路具有完全相同的衰減和相位性能。而(15)、(16)、(17)構(gòu)成對(duì)S11的定標(biāo)支路，它與(15)、(16)和(19)在放樣品基準(zhǔn)面MN處短路時(shí)所構(gòu)成的支路有著完全相同的衰減和相位性能。當(dāng)利用這些定標(biāo)支路按定標(biāo)技術(shù)同樣品支路進(jìn)行比對(duì)測(cè)量時(shí)就能排除系統(tǒng)的相位和衰減的誤差，獲得準(zhǔn)確的散射系數(shù)S11和S21。
因此，本發(fā)明的要點(diǎn)在于測(cè)量、定標(biāo)方法即用兩次定標(biāo)測(cè)量，一次反射測(cè)量和一次透射測(cè)量來(lái)求取散射系數(shù)S11和S21，即當(dāng)波導(dǎo)開關(guān)(16)、(20)和(23)在不同位置時(shí)，就能進(jìn)行上述四種不同的測(cè)量(一)參考信號(hào)對(duì)S11的定標(biāo)測(cè)量波導(dǎo)開關(guān)(16)在(a)處，(23)在(f)處。
(二)反射測(cè)量波導(dǎo)開關(guān)(16)在(c)處，(23)在(f)處，(20)在(e)處。
(三)參考信號(hào)對(duì)S21的定標(biāo)測(cè)量波導(dǎo)開關(guān)(16)在(b)處，(20)在(d)處，(23)在(g)處。
(四)透射測(cè)量波導(dǎo)開關(guān)(16)在(c)處，(20)在(e)處，(23)在(g)處。
從(一)、(二)測(cè)量獲得S11。
從(三)、(四)測(cè)量獲得S21。
用公式說(shuō)明如下S11＝exp〔-(0.11513Ar+jφr)〕，φr＝π- (4πPr)/(λg) ;
S21＝exp〔-(0.11513At+jφt)〕，φt＝ (4πPt)/(λg) + (2πl(wèi))/(λg) 。
式中λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)(cm)，l為樣品長(zhǎng)度(cm);
Ar＝Ari-Aro＝反射測(cè)量的衰減器讀數(shù)(dB)-S11定標(biāo)的衰減器讀數(shù)(dB)。
Pr=Pro-Pri+n (λg)/2 ＝〔S11定標(biāo)測(cè)量駐波節(jié)點(diǎn)位置(cm)-反射測(cè)量的駐波節(jié)點(diǎn)位置(cm)+ 1/2 整數(shù)倍波導(dǎo)波長(zhǎng)〕＜ 1/2 波導(dǎo)波長(zhǎng)。
At＝Aei-Aeo＝透射測(cè)量的衰減器讀數(shù)(dB)-S21定標(biāo)測(cè)量的衰減器讀數(shù)(dB)。
Pt＝Pti-Pto＝透射測(cè)量的駐波節(jié)點(diǎn)位置(cm)-對(duì)S21定標(biāo)測(cè)量時(shí)的駐波節(jié)點(diǎn)位置(cm)。
從S11、S21計(jì)算ε、μ按ADA100764報(bào)告的公式(但榪悸荰E01波與TEM波的區(qū)別)進(jìn)行。故只需將信號(hào)源的頻率f，樣品厚度l，散射系數(shù)S11和S21輸入計(jì)算機(jī)，就可打印出材料的復(fù)介電系數(shù)ε＝ε′-jε″和復(fù)導(dǎo)磁率μ＝μ′-jμ″。
用聚四氟乙烯樣品的測(cè)量結(jié)果與ADA100764報(bào)告的結(jié)果比對(duì)如下
本系統(tǒng)ADA100764頻率范圍(GHz)8.2～12.49.2～19.2測(cè)量點(diǎn)數(shù) 23 23＊)ε′平均值2.0522.057ε′標(biāo)準(zhǔn)差0.0880.139ε″平均波動(dòng)范圍+0.101～-0.133+0.159～-0.100μ′平均值0.9931.00μ′標(biāo)準(zhǔn)差0.0390.058μ″平均波動(dòng)范圍+0.0667～-0.0296+0.018～-0.07165.98mm樣品厚度12.00mm180mils17.88mm＊)從26個(gè)測(cè)試點(diǎn)刪掉三個(gè)偏差最大的點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種微波吸收材料的電磁參數(shù)測(cè)試方法，利用S參數(shù)測(cè)量單元，測(cè)量放樣品裝置(含樣品)的兩個(gè)散射系數(shù)S11和S21，計(jì)算材料的復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)導(dǎo)磁率μ，其特征在于所說(shuō)的參數(shù)測(cè)量單元用微波干涉方法，所說(shuō)的放樣品裝置能進(jìn)行四種不同測(cè)量的轉(zhuǎn)換，利用定標(biāo)技術(shù)和比對(duì)測(cè)量方法得到散射系數(shù)S11和S21。所說(shuō)的定標(biāo)技術(shù)和比對(duì)測(cè)量方法是在測(cè)量S11和S21之前，分別將參考信號(hào)對(duì)S11和S21進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，然后分別測(cè)量從樣品反射和透射的信號(hào)同參考信號(hào)進(jìn)進(jìn)行干涉后的駐波節(jié)點(diǎn)和衰減器讀數(shù)相對(duì)于定標(biāo)時(shí)的變化來(lái)獲得散射系數(shù)S11和S21。
2.一種微波吸收材料的電磁參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，由微波信號(hào)單元，放樣品裝置以及S參數(shù)測(cè)量單元所組成，其特征在于所說(shuō)的S參數(shù)測(cè)量單元是由衰減器(8，9)，駐波測(cè)量線(11)，隔離器(7、10、13)，功率傳感器(12)，和指示器(13)所組成。在所說(shuō)的放樣品裝置上裝有對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行兩種定標(biāo)的元件(17、18)。
3.按權(quán)利要求2所述的一種微波吸收材料的電磁參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的參考信號(hào)進(jìn)行兩種定標(biāo)的元件是由一節(jié)短波導(dǎo)和短路板(17)構(gòu)成和單獨(dú)由一節(jié)波導(dǎo)(18)構(gòu)成。
全文摘要
一種微波吸收材料的復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)導(dǎo)磁率μ的測(cè)試方法和系統(tǒng)。用微波干涉方法，定標(biāo)技術(shù)和比對(duì)測(cè)量的方法，得到散射系統(tǒng)S
文檔編號(hào)G01R27/26GK1032238SQ8710734
公開日1989年4月5日 申請(qǐng)日期1987年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月7日
發(fā)明者倪爾湖, 施鐵矛, 張志鳴, 沈建華 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)