CN102590637A - 微波介质涂层电控检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

微波介质涂层电控检测装置及其检测方法，涉及一种微波涂层介电特性的检测。检测装置设有矩形波导、平行耦合微带电极、直流稳压电源、矢量网络分析仪、计算机和短路板；矩形波导前端与矢量网络分析仪的端口连接，平行耦合微带电极设在矩形波导的中间，矩形波导的后端连接短路板，直流稳压电源的输出端与平行耦合微带电极连接，矢量网络分析仪通过电缆与计算机的输入端口连接。将微带电极加载在待测样品上，放入波导端面中由短路板夹持进行测试，微带电极相连；在微带电极之间加载电压，观察散射参数变化；测试已知空气层和聚四氟乙烯涂层，计算出介电常数，将已知涂层电磁参数与测试结果对比，确定本测试系统的可靠性、测试误差和测试精度。

Description

微波介质涂层电控检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种微波涂层介电特性的检测，尤其是涉及一种微波介质涂层电控检测装置及其检测方法。

背景技术

随着军事技术的日益发展，微波介质涂层不管是在军事上还是民用上都得到了快速的发展，微波涂层的可控性研究是近几年提出的新思路，指的是通过外加电场、磁场或改变微波涂层的温度来控制微波涂层的电磁参数，以改变其吸波性能的技术。微波涂层的电磁参数指的是复介电常数和复磁导率，它们是评价微波涂层吸波性能优劣的重要依据。微波涂层的原始电磁参数测试方法众多，常用的有传输/反射法、谐振腔法和自由空间法。这里采用的电控检测方法是基于目前微波涂层电磁参数测量方法中研究最多、应用最广的传输/反射法做出的创新。

传输/反射法的原理是将待测涂层制成样品，置于同轴线或波导中，通过矢量网络分析仪测量样品的散射系数，通过散射系数确定微波涂层的复介电常数。传输/反射法根据涂层样品夹具的不同，又可以分为同轴法、矩形波导法、微带线法等。该测试方法具有频带宽、测试简单、精度较高以及同时适用于矩形波导和同轴系统等优点。

1989年浙江大学的倪尔湖等人利用微波干涉方法、定标技术和比对测量的方法设计了一套用低价仪器高精度测量高损耗材料电磁参数的系统，测量精度不低于用微波矢量网络分析仪所获得的结果，适用于3～40GHz的宽广频段；1998年法国布雷斯特大学的PatrickQu′eff′elec等人提出采用微带线结构来测量薄膜的电磁参数，测试频率范围为100MHz～10GHz，薄膜厚度为1～10μm，该方法的主要特点是将薄膜材料直接放在微带线的基板上，这使得测量过程更加简单，测量精度更高；2000年希腊材料科学研究所的E.Moraitakis等人采用了通用的等效电路，利用半解析方法对阻抗测试方法进行了分析，并成功测试了沉积在硅片上，厚度仅为150nm的坡莫合金膜的复磁导率，测试频率为200MHz～4 GHz；2000年中国电子科技大学的王琼华等人提出一种新型的用于测试中高损耗材料电磁参数的部分填充试样的矩形波导传感器模型，改善了全填充状态下大部分信号被反射或衰减、传输信号太微弱的情况，测试精度得到提高；2004年德国材料研究所的V.Bekker等人设计出了针对铁磁薄膜复磁导率的终端短路传输线结构，针对电磁波的Q波段、W波段的亚毫米波和毫米波以及更多高频段的涂层电磁参数进行测量；2005年来自美国塔夫斯大学的L.Subramanian等人研制一种准光学测光仪，将涂层样品放置于磁场中，利用返波振荡器(BWO)作为扫描源进行测量，频率范围覆盖了电磁波的Q波段到W波段，且不用更改样品尺寸，十分方便；2006年南京工业大学的冯永宝等人([7]冯永宝，丘泰，沈春英等.一种微波吸收材料反射率的测量方法：中国，ZL200510095601.6[P].2006-06-28)提供一种借助于矢量网络分析仪测量微波吸波材料的同轴法，北京交通大学的姜山等([8]姜山.电磁参数测试系统研究[D].北京：北京交通大学，2006)也做了相关的详细研究；2008年中国电子科技大学的Yunqiu Wu等人([9]Yunqiu Wu，Zongxi Tang，Biao Zhang，Xi He.Electromagnetic Parameters Measurement forThin Film Materials[J].ICMMT2008 International Conference on Microwave and MillimeterWave Technology，2：627-629，2008)提出采用多层微带传输线作为测量结构，测试误差小于5％，减小了误差；而同校的郭高凤等人([10]郭高凤，李恩，罗明直等.一种吸波材料反射率测量装置：中国，ZL200820064502.0[P].2009-07-01)又于2009年提出一种改进的“弓形法”，可进行不同入射角的反射率测量，角度控制非常方便，且支臂的半径值固定，可减小因半径变化而带来的测试误差，支臂采用“7”字形结构，缩小了体积，减小了天线固定框架带来的散射，提高了测量精度；同年法国原子能研究机构M.Ledieu([11]Ledieu，M.Schoenstein，F.LeGallou，et al.Microwave permeability spectra of ferromagnetic thin films over a wide range oftemperatures[C].Proc IEEE，2009(6)：72)采用了短路微带传输线装置来测量薄膜的复磁导率，频率达到6GHz。

上述方法中的电磁参数测试均不可控，而本发明通过在微波介质涂层两侧加载电压使得其电磁参数具有可控性，这对于研究智能可控涂层性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有的微波介质涂层电控检测存在的问题，提供一种可电控、适用性广、无损伤、精度高、操作简便，特别是在导电聚合物涂层的电控检测上更具有优势的微波介质涂层电控检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种微波介质涂层的电控检测方法。

所述微波介质涂层电控检测装置设有矩形波导、平行耦合微带电极、直流稳压电源、矢量网络分析仪、计算机和短路板；所述矩形波导的前端与矢量网络分析仪的端口连接，平行耦合微带电极设在矩形波导的中间，矩形波导的后端连接短路板，直流稳压电源的输出端与平行耦合微带电极连接，矢量网络分析仪通过电缆与计算机的输入端口连接。

所述矩形波导的工作频段可为45MHz～40GHz，所述矢量网络分析仪可采用频率覆盖范围为45MHz～40GHz的矢量网络分析仪。所述矩形波导的前端可通过同轴电缆波导转换接头与矢量网络分析仪的端口连接。

所述矩形波导可采用标配矩形波导，作为样品测量夹具。

所述微波介质涂层的电控检测方法，采用所述微波介质涂层电控检测装置，所述方法包括以下步骤：

1)采用标配的开路、短路、负载校准件完成矢量网络分析仪的校准工作，再完成同轴波导转换接头连接标准波导后的端面校准；

2)将所设计的U型平行耦合微带电极加载在待测样品上，然后放入矩形波导端面中由短路板夹持进行测试，两平行耦合微带电极固定相连，实际尺寸略长于设计的尺寸，保证被测试样在检测区获取均匀的直流偏置场；

3)在平行耦合微带电极之间加载直流偏置电压0V、1V、2V……，观察散射参数S₁₁的变化并分别记录S₁₁(0)、S₁₁(1)、S₁₁(2)……的实部和虚部；

4)分别测试已知空气层和聚四氟乙烯(PTFE)涂层，根据测得的散射参数，利用matlab语言编写的程序计算出介电常数数值，并通过将已知涂层电磁参数与测试结果进行对比，确定本测试系统的可靠性、测试误差和测试精度。

所述待测样品可制备为矩形，典型值为各向同性的均匀媒质，长宽尺度按拟测的频段所对应的波导体尺寸来制备，待测样品最好是光滑、平整，没有毛刺和划痕。另外，对于高损耗涂层，比如高吸收微波涂层，样品厚度不能太大，确保被测散射参数S₁₁在所选取的矢量网络分析仪允许的增益范围内，典型值可选取2～5mm。

本发明中的实验仪器、待测试样及环境条件等均符合国家监测标准要求。

与现有的国内外微波涂层电磁参数测试系统相比，本发明的突出优点在于：(1)将填充微波涂层作为传输系统的一部分，采用矩形波导终端短路的方法结合外加电压来电控检测样品的电磁参数；(2)设计了平行耦合微带电极，并将阻抗匹配、尺寸优化、绝缘安全等纳入设计范围，适合频段范围宽；(3)利用传统的数值计算方法实施预处理，使得被测S参数测量结果更易于处理，提高测试精确度。

附图说明

图1为本发明所述微波介质涂层电控检测装置实施例的结构组成框图。

图2为本发明所述微波介质涂层电控检测装置实施例的平行耦合微带电极结构组成示意图。在图2中，W、S、T分别为平行耦合微带电极的宽度、间距和厚度，H为平行耦合微带电极中的上电极与底电极之间样品的厚度。

图3为本发明所述微波介质涂层电控检测装置实施例的平行耦合微带电极俯视图。

图4为已知电磁参数的聚四氟乙烯样品的传播系数γ的仿真与实测图。在图4中，横坐标为频率Frequency(GHz)，纵坐标为反射系数S₁₁(dB)。

图5为导电聚合物微波涂层在全波段的吸波变化曲线。在图5中，横坐标为全波段频率Frequency(GHz)，纵坐标为反射系数衰减量ΔS₁₁(dB)。

具体实施方式

下面将对本发明的实施方式进行详细说明。

图1给出本发明所述微波介质涂层电控检测装置实施例的结构组成框图。所述微波介质涂层的电控检测装置实施例设有矩形波导1、平行耦合微带电极2、直流稳压电源3、矢量网络分析仪4、计算机5和短路板6；所述矩形波导1的前端与矢量网络分析仪4的端口连接，平行耦合微带电极2设在矩形波导1的中间，矩形波导1的后端连接短路板6，直流稳压电源3的输出端与平行耦合微带电极2连接，矢量网络分析仪4通过电缆与计算机5的输入端口连接。在图1中，标记A为介质。

所述矩形波导1的工作频段可为45MHz～40GHz，所述矢量网络分析仪4可采用频率覆盖范围为45MHz～40GHz的矢量网络分析仪。所述矩形波导1的前端可通过同轴电缆波导转换接头与矢量网络分析仪4的端口连接。

所述矩形波导1可采用标配矩形波导，作为样品测量夹具。

以下给出微波介质涂层的电控检测方法实施例的具体步骤：

步骤一：根据短路法测量要求校准矢量网络分析仪，首先将矢量网络分析仪开机预热约30分钟，以消除仪器内部由于温度漂移对测试结果带来的影响。选择合适的频率范围后按开路、短路、负载步骤依次对矢量网络分析仪进行校准，然后完成同轴波导转换接头连接标准波导后的端面校准。同时需要注意校准件类型male或female，必须和软件窗口设置保持一致。

注意由于在测试系统中引入了同轴波导转换接头，使得测量参考面发生了一定的变化，一般利用三点法(OSL法)进行校正，减小参考面变化引入的误差。

步骤二：将经过绝缘处理的U型平行耦合微带电极加载在表面干净平整且各向同性的导电聚苯胺薄膜(厚度3.2mm)两端，然后放入矩形波导端面中由短路板夹持来进行测试。

注意处理待测样品表面具有干净清洁、光滑平整、均匀、各向同性的涂层，无裂缝，涂层中应避免气孔(直径小于0.1mm均匀分布的微孔除外)；待测涂层与测试夹具之间的缝隙应尽可能的小；待测样品两端都必须与测试夹具的轴线即电磁波入射方向垂直。

平行耦合微带电极的制作及预处理：这里采用平行耦合微带电极结构(参见图2和3)。W为平行耦合微带电极的宽度；S为平行耦合微带电极的间距，由波导样品窗的宽度决定；T为平行耦合微带电极的厚度；H为平行微带电极中的上电极与底电极之间样品的厚度，由待测涂层的厚度决定；平行耦合微带电极的长度L由波导样品窗的长度决定。因此，可通过改变平行耦合微带电极宽度W来适应波导对应的不同频率以达到阻抗匹配，表1为对应各波段平行耦合微带电极的各部分尺寸。

表1不同波段平行耦合微带电极的各部分尺寸

平行耦合微带电极要做绝缘处理，在此我们选用有机涂层PMMA为电极做绝缘处理。具体操作为：配制浓度为30mg/ml的溶液，将其旋涂于清洗干净的平行耦合微带电极表面，旋涂得转速大约是2500r/min，旋涂30s，薄膜厚度约为200nm，放置6h晾干。

在平行耦合微带电极的设计过程中还需要注意的一个问题就是在测试系统中，如果平行耦合微带电极不做绝缘处理就会与波导直接接触。当给平行耦合微带电极加载电压时，会产生泄漏电流，通过铜质波导回流到测量仪器，损坏精密仪器，因此在平行耦合微带电极与波导之间加绝缘层可以阻止电流回流。以有机涂层PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)为例介绍平行耦合微带电极的绝缘层制作过程：

1)首先把PMMA溶解于三氯甲烷(氯仿)中，配制浓度为30mg/ml的溶液，将其旋涂于清洗干净的平行耦合微带电极表面，旋涂得转速大约是2500r/min，旋涂30s。

2)然后，将旋涂绝缘层后的平行耦合微带电极置于真空干燥箱中，在100℃下退火1h即可。

步骤三：在平行耦合微带电极之间加载1V、2V、3V、4V、5V、6V等直流偏置电压，观察反射系数S₁₁的变化量(如图5)，并分别记录不同偏置电压下S₁₁的实部和虚部。

步骤四：根据测得的散射参数，在计算机上利用matlab语言编写的程序对数据进行处理从而计算出介电常数数值，并比较其变化。Matlab编写程序的思路为利用传输线理论求得波导末端样品的终端阻抗，再利用终端阻抗的公式，得到有关传播系数的复超越方程，通过用数值计算的方法求解出传播系数，代入色散方程中，解得样品的介电常数和损耗角。

为了检验此系统的可靠性，我们可以用此系统测试已知电磁参数的涂层，将实际数据与测试结果进行对比，从而对本测试系统的可靠性、测试误差和测试精度进行分析研究。

具体测试空气的电磁参数，图4为空气的反射系数S₁₁的仿真与实测图。

测试聚四氟乙烯样品的电磁参数。已知测试涂层聚四氟乙烯的介电常数为2.1，损耗角为0.001，波导腔长L为22mm，样品厚度H为12mm，利用matlab语言编写的程序计算出在9.42GHz处其散射参数为0.9988+0.006，传输系数γ为0.000331917+135.7298j，介电常数ε为1.971203981+0.000467592j，误差小于10％。

测试外加电场下导电聚合物微波涂层的吸波性能。对样品厚度为3.0～3.2mm的导电聚合物微波涂层外加1～6V的电压，测试该涂层在微波波段的反射系数S₁₁变化量(参见图5)。从图中可看出导电聚合物微波涂层的吸波性能随外加电场发生了改变，即证明该微波涂层电控测试系统确实能够对涂层外加电场控制并能达到吸波性能的可控性。

Claims (5)

1.微波介质涂层电控检测装置，其特征在于设有矩形波导、平行耦合微带电极、直流稳压电源、矢量网络分析仪、计算机和短路板；所述矩形波导的前端与矢量网络分析仪的端口连接，平行耦合微带电极设在矩形波导的中间，矩形波导的后端连接短路板，直流稳压电源的输出端与平行耦合微带电极连接，矢量网络分析仪通过电缆与计算机的输入端口连接。

2.如权利要求1所述的微波介质涂层电控检测装置，其特征在于所述矩形波导的工作频段为45MHz～40GHz；所述矢量网络分析仪采用频率覆盖范围为45MHz～40GHz的矢量网络分析仪。

3.如权利要求1所述的微波介质涂层电控检测装置，其特征在于所述矩形波导的前端通过同轴电缆波导转换接头与矢量网络分析仪的端口连接。

4.如权利要求1所述的微波介质涂层电控检测装置，其特征在于所述矩形波导采用标配矩形波导，作为样品测量夹具。

5.微波介质涂层的电控检测方法，其特征在于采用如权利要求1～4中的任一所述微波介质涂层电控检测装置，所述方法包括以下步骤：

1)采用标配的开路、短路、负载校准件完成矢量网络分析仪的校准工作，再完成同轴波导转换接头连接标准波导后的端面校准；

2)将所设计的U型平行耦合微带电极加载在待测样品上，然后放入矩形波导端面中由短路板夹持进行测试，两平行耦合微带电极固定相连，实际尺寸略长于设计的尺寸，保证被测试样在检测区获取均匀的直流偏置场；

3)在平行耦合微带电极之间加载直流偏置电压0V、1V、2V……，观察散射参数S₁₁的变化并分别记录S₁₁(0)、S₁₁(1)、S₁₁(2)……的实部和虚部；

4)分别测试已知空气层和聚四氟乙烯(PTFE)涂层，根据测得的散射参数，利用matlab语言编写的程序计算出介电常数数值，并通过将已知涂层电磁参数与测试结果进行对比，确定本测试系统的可靠性、测试误差和测试精度。

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