一种微波材料电磁参数测量方法

技术领域

本发明涉及电磁场和微波工程技术领域，更具体地，涉及一种微波材料电磁参数测量方法。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，微波材料在航空航天、微波通信、遥感、生物医学等领域有着广泛的应用。由麦克斯韦（Maxwell）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，这两个电磁参数即是相对复介电常数和相对复磁导率。在微波材料的生产过程中，对材料电磁参数（介电常数、磁导率）的准确测试是微波材料生产的重要环节，直接关系到相关电子设备及系统性能的优劣，因此，如何提高微波材料电磁参数测试精度显得尤为重要。

电磁参数的测量方法与被测材料的形态、色散特性及应用的频段等方面有关，主要分为谐振法和传输反射法。

现有的，一般基于传输反射法的电磁参数计算软件是根据矢网测试的S参数反演计算样品材料的电磁参数——相对复介电常数

发明内容

本发明提出一种微波材料电磁参数测量方法，解决材料电磁参数测试过程中普遍遇到的校准问题、多值问题和半波谐振问题，提高微波材料电磁参数测试精度。

本发明还提出一种微波材料电磁参数测量系统。

一种微波材料电磁参数测量方法，采用电磁参数测量装置进行测量，其测量过程包括以下步骤：

S1：在电磁参数测量装置分别接入直通Through、反射Reflect和传输Line校准件进行测试，得到3种状态下的S参数矩阵：

S2：将待测样品放入测量夹具中并接入电磁参数测量装置进行测试得到S参数矩阵

S3：在电磁参数计算软件中采用TRL校准算法对上述4个S参数矩阵进行数据处理，得到待测样品两个端面的S参数矩阵

S4：采用NRW传输/反射算法对S参数矩阵

优选的，所述电磁参数测量装置包括矢量网络分析仪、测量夹具、含波导管的波导同轴转换器、稳幅稳相的同轴电缆和处理器，所述矢量网络分析仪与处理器连接，处理器内置电磁参数计算软件；所述矢量网络分析仪与处理器连接实现通信，处理器内置所述电磁参数计算软件；所述矢量网络分析仪其中两个端口分别与所述稳幅稳相的同轴电缆与所述含波导管的波导同轴转换器连接；所述含波导管的波导同轴转换器包括两个含波导管的波导同轴转换器，两个含波导管的波导同轴转换器之间接入所述测量夹具，当所述测量夹具放入所述待测样品时，所述测量夹具与所述两个含波导管的波导同轴转换器通过螺丝固定实现机械连接；所述含波导管的波导同轴转换器是一体化结构，包括波导同轴转换器和矩形波导管。直通Through校准件是长度为0的空气，反射Reflect校准件是某一具体长度的金属反射板，传输Line校准件是长度为1/8或1/4或3/8倍波导波长的精密波导段。

优选的，所述步骤S3中待测样品两个端面的S参数矩阵的获取过程为：定义矢量网络分析仪其中的两个端口分别为端口1和端口2，从端口1到待测样品的一端整体定义为误差盒A，从端口2到待测样品的另一端整体定义为误差盒B。

误差盒A表示为

(1)

其中带有下标A和B的参数分别表示所述误差盒A和B的S参数，

(2)

待测样品两个端面的S参数矩阵

(3)

其中

(4)

基于步骤S1得到的3种状态下的S参数矩阵：

(5)

(6)

(7)

其中，带有下标M的量为已知量，

优选的，所述步骤S4采用NRW传输/反射算法对S参数矩阵

待测样品介质对电磁波的反射和传输，设定空气与介质的分界面A处的单次反射系数为

(8)

(9)

(10)

(11)

待测样品的相对复介电常数和相对复磁导率与待测样品段的传播常数

(12)

其中，

待测样品的传输系数

(13)

因此，待测样品的传输系数

(14)

(15)

(16)

其中,

(17)

综合以上各式，能够分别得到待测样品的相对复磁导率

(18)

(19)

其中，Λ为待测样品衰减量，表示为：

(20)

根据以上分析过程看出，矩形波导中对待测样品电磁参数的测试，归结为矩形波导中S参数的测试，利用S参数计算出待测样品的反射系数

优选的，本发明还包括对获得的电磁参数进行多值性问题解决，其过程为：

对计算获得待测样品电磁参数过程中，式（20）涉及到对传输系数的倒数

，(n=0,1,2…)(21)

n为自然数；α和β表示某一具体常数；

求导法是利用在一定频率范围内，介质材料电磁参数不变的特性，对式(18)中

(22)

其中，

基于式(22)会涉及到对

(23)/>

(24)

表示/>

令式(22)导数

优选的，本发明还包括当待测样品的厚度大于

电磁波在无损耗或者损耗角极小的介质中传播时，其传输系数

对于高损耗性或者磁性材料来说，由于传输系数

对于非磁性的低损耗性材料，由于相对复磁导率

=/>

用

测量结果在整个测量频段内较为稳定；在此基础上，为进一步消除

(26)

其中，

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的技术方案一是波导同轴转换器和矩形波导管采用一体化加工，消除二者通过法兰盘直连时造成的机械误差，简便操作。二是将TRL校准算法写进电磁参数计算软件中，对于不支持TRL校准的矢网也能提供精确校准。三是采用较为实用的求导法解决求解过程遇到的多值问题。四是对于非磁性的低损耗性材料计算结果出现的半波谐振问题，采用改进的计算方法来消除半波谐振现象。

附图说明

图1为本发明的电磁参数测量方法对应电磁参数测量装置的结构框图。

图2为待测样品介质对电磁波的传输和反射示意图。

图3为级联网络示意图。

图4为误差盒A、待测样品和误差盒B组成的级联网络的S参数示意图。

图5为测试校准件示意图。

图6为

具体实施方式

本发明应用于测量介质材料相对复介电常数和相对复磁导率，采用的矩形波导法属于传输反射法的一种。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合公式和附图，对本发明进行进一步的详细说明。

装置构成

本发明在传统矩形波导法材料电磁参数测量装置的基础上做出了优化（优化如图1所示），波导同轴转换器和矩形波导管采用一体化加工，一是为了消除二者通过法兰盘直连时造成的机械误差，二是降低测量装置的复杂性，简便操作。

本实施例中，公开一种微波材料电磁参数测量方法，采用电磁参数测量装置进行测量，其测量过程包括以下步骤：

S1：在电磁参数测量装置分别接入直通Through、反射Reflect和传输Line校准件进行测试，得到3种状态下的S参数矩阵：

S2：将待测样品放入测量夹具中并接入电磁参数测量装置进行测试得到S参数矩阵

S3：在电磁参数计算软件中采用TRL校准算法对上述4个S参数矩阵进行数据处理，得到待测样品两个端面的S参数矩阵

S4：采用NRW传输/反射算法对S参数矩阵

具体的，电磁参数测量装置包括矢量网络分析仪、测量夹具、含波导管的波导同轴转换器、稳幅稳相的同轴电缆和处理器，所述矢量网络分析仪与处理器连接实现通信，处理器内置电磁参数计算软件；所述矢量网络分析仪其中两个端口分别与所述稳幅稳相的同轴电缆与所述含波导管的波导同轴转换器连接；所述含波导管的波导同轴转换器包括两个含波导管的波导同轴转换器，两个含波导管的波导同轴转换器之间接入所述测量夹具，当所述测量夹具放入所述待测样品时，所述测量夹具与所述两个含波导管的波导同轴转换器通过螺丝固定实现机械连接；所述含波导管的波导同轴转换器是一体化结构，包括波导同轴转换器和矩形波导管。直通Through校准件是长度为0的空气，反射Reflect校准件是某一具体长度的金属反射板，传输Line校准件是长度为1/8或1/4或3/8倍波导波长的精密波导段。

图2为待测样品介质对电磁波的反射和传输，设定空气与介质的分界面A处的单次反射系数为

(101)

(102)

(103)

(104)

材料相对复介电常数和相对复磁导率与待测样品段的传播常数

(105)

其中，

待测样品的传输系数

(106)

因此，待测样品的传输系数

(107)

(108)

(109)

其中，

(110)

综合以上各式，可以分别得到被测介质的相对复磁导率和相对复介电常数为：

(111)

(112)

其中，Λ为待测样品衰减量，可表示为：

(113)

根据以上理论分析可以看出，矩形波导传输线对介质电磁参数的测试，归结为矩形波导中S参数的测试，利用S参数计算出待测样品的反射系数

TRL校准

在连接矩形波导和待测样品测试夹具时，由于波导同轴转换器的存在，使得一次校准后测量参考面并没有校准到待测样品两个端面上，而电磁参数测试中需要测量的却是待测样品两个端面的S参数，采用NRW算法处理非样品两个端面的S参数，计算结果将有很大的误差。本发明采用TRL校准算法，将矢网测量S参数的参考端面校准到待测样品的两个端面，为NRW算法处理提供正确的S参数数据。

本发明涉及的TRL校准方法是基于S参数网络的校准，定义矢量网络分析仪其中的两个端口分别为端口1和端口2，从端口1到待测样品的一端整体定义为误差盒A，从端口2到待测样品的另一端整体定义为误差盒B。根据二端口网络相关理论，误差盒A表示为

其中，带有下标A和B的参数分别表示误差盒A和B的S参数，

(114)

其中

(115)

如图4所示，待测样品两个端面的S参数矩阵[S]=

(116)

其中

(117)

想要解出式（116），需要矢网直接测量得出的S参数，还需要知道误差盒A与B的S参数和前向与反向信号误差。要得到这10项误差，就需要使用TRL校准算法进行数据处理。TRL校准的优点在于精度只是跟TRL较准件的质量、重复性部分相关，而不是完全由校准件决定。分别将Through(直通）、Reflect（反射）、Line（传输）三种校准件接入测量系统进行测试，如图5所示；令

(118)/>

(119)

(120)

其中，带有下标M的量为已知量，

四、多值问题解决方案

求解过程中式(113)涉及到对传输系数的倒数

(n=0,1,2…)(121)

n为自然数；α和β表示某一具体常数；

1.求导法

利用在一定频率范围内，介质材料电磁参数不变的特性，对式(111)中

(122)

其中，

问题的最后，归结为基于式(22)涉及对

(123)/>

(124)

表示/>

令式(122)导数

2.虚部补偿法

数学软件求解

当测量频率增加时(

虚部补偿法最为关键的还是式(121)初值

五、半波谐振问题解决方案

当被测介质的厚度大于

对于高损耗性或者磁性材料来说，由于传输系数

=/>

用

测量结果在整个测量频段内较为稳定。在此基础上，为进一步消除

(126)

其中，

本发明公开了一种材料电磁参数测量方法，在本实施例中是以矩形波导法材料电磁参数测量为例，对本发明涉及的内容进行了详细的解释说明，具备以下优点：一是波导同轴转换器和矩形波导管采用一体化加工，消除二者通过法兰盘直连时造成的机械误差，简便操作。二是将TRL校准算法写进电磁参数计算软件，对于不支持TRL校准的矢网也能提供精确校准。三是采用较为实用的求导法和虚部补偿法解决求解过程遇到的多值问题。四是对于非磁性的低损耗性材料计算结果出现的半波谐振问题，采用改进的计算方法来消除半波谐振现象。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。