CN102721711A

CN102721711A - 一种材料电磁参数测量系统

Info

Publication number: CN102721711A
Application number: CN2012101754505A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 缪锡根; 刘列
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明公开一种材料电磁参数测量系统，其包括发射天线、接收天线以及位于发射天线和接收天线之间的样品支架，被测样品设置于样品支架上；所述样品支架上除被测样品所占表面外，其他表面均被吸波材料覆盖。本发明通过采样样品支架夹持样品，并在样品支架两侧设置吸波材料，使得本发明材料电磁参数测量系统无需采用昂贵的透镜天线即可得到材料电磁参数。进一步地，本发明材料电磁参数测量系统中的吸波材料可选取市面上常用的吸波材料，例如吸波海绵等，也可以通过利用超材料原理设计该吸波材料，利用超材料原理设计的吸波材料具有厚度较薄、吸波频带较宽且吸波性能较好的优点。

Description

一种材料电磁参数测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，尤其涉及一种材料电磁参数测量系统。

背景技术

现有的材料电磁参数测量系统是将材料放置于自由空间中，是一种非接触和非破坏性的自由空间测试方法。它利用发射天线将电磁波辐射到自由空间，再利用接收天线接收并测量材料对所发射电磁波的反射和透射信号，最后通过S参数计算介质材料的电磁参数。与其他测量方法相比，自由空间测量方法对测试材料样品没有非常严格的形状和工艺要求，只需要测试材料厚度均匀且具有一定大的测试面积。自由空间测量方法还具有很高的灵活性，可以随意改变入射电磁波的极化方向和入射角度，非常适宜于测量复合材料的电磁参数。

现有的材料电磁参数测量系统如图1所示，其包括用作发射源和接收源的发射透镜天线1和接收透镜天线2。透镜将电磁波汇聚于测试样品3表面一定范围内，使透射到样品表面的电磁波范围变小，样品的边沿散射被抑制。然而透镜天线成本昂贵，且测试样品必须精确地放置于收发透镜的几何中心点，这影响了测试精度也增加了校准操作难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种结构简单、成本较低且操作简便的材料电磁参数测量系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种材料电磁参数测量系统，其包括发射天线、接收天线以及位于发射天线和接收天线之间的样品支架，被测样品设置于样品支架上；所述样品支架上除被测样品所占表面外，其他表面均被吸波材料覆盖。

进一步地，所述接收天线和发射天线同轴设置，所述被测样品长度大致等于发射天线和接收天线口径面直径。

进一步地，所述吸波材料为吸波海绵。

进一步地，所述吸波材料包括基材以及周期排布于基材两相对侧表面的第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支；所述第二金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

进一步地，所述第一金属微结构的第二金属分支中点分别设于其所连接的该第一金属分支的端点，第二金属微结构由一边中点具有缺口的正方形状的第三金属分支构成。

进一步地，所述吸波材料包括基材以及周期排布于基材一侧表面的第三金属微结构，所述第三金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

进一步地，所述第三金属微结构以第二金属分支为对称轴成左右对称结构。

进一步地，所述基材为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料或陶瓷材料。

进一步地，所述第一金属微结构和第二金属微结构通过蚀刻、钻刻、电子刻或离子刻附着于基材两相对侧表面上。

本发明通过采样样品支架夹持样品，并在样品支架两侧设置吸波材料，使得本发明材料电磁参数测量系统无需采用昂贵的透镜天线即可得到材料电磁参数。进一步地，本发明材料电磁参数测量系统中的吸波材料为利用超材料原理设计的吸波材料，该吸波材料具有厚度较薄、吸波频带较宽且吸波性能较好的优点。

附图说明

图1为现有的材料电磁参数测量系统的结构示意图；

图2为本发明材料电磁参数测量系统的结构示意图。

图3为本发明第一较佳实施例中附着于基材一侧表面的第一金属微结构拓扑形状示意图；

图4为本发明第一较佳实施例中附着于基材另一侧表面的第二金属微结构拓扑形状示意图；

图5为本发明第二较佳实施例中附着于基材上的第三金属微结构拓扑形状示意图。

具体实施方式

请参照图2，图2为本发明材料电磁参数测量系统的结构示意图。图2中，本发明材料电磁参数测量系统包括发射天线10、接收天线20以及位于发射天线10和接收天线20之间的样品支架30。被测样品40设置于样品支架30之上，所述样品支架30上除被测样品40所占表面外，其他表面均被吸波材料50覆盖。

进一步地，接收天线20和发射天线10同轴设置，被测样品40长度大致等于发射天线10和接收天线20口径面直径。当被测样品40长度大于天线口径面直径时，被测样品40大于天线口径面的部分表面也被吸波材料50覆盖。

当发射天线10发射电磁波时，样品支架30上除被测样品40表面外的其他表面的电磁波被吸波材料50吸收，降低了边沿绕射和边沿效应，从而降低了背景噪音，提高了系统的测量动态范围。通过吸波材料50吸收多余的电磁波，无需利用透镜将天线的电磁波精确的汇聚于被测样品40表面，省去了昂贵的透镜费用也无需精确调试。

为扩宽本发明测量系统的使用范围，使得本发明测量系统在较宽的频率范围内均可以使用，须使得吸波材料50具有宽频吸波效果。为达到该种效果，吸波材料50可以使用吸波海绵等材料作为吸波材料50。

优选地，本发明材料电磁参数测量系统中的吸波材料50为利用超材料原理制备的宽频吸波超材料，该吸波超材料具有吸波频段宽、厚度薄、占用面积小以及吸波效果好的性能。

在本发明第一较佳实施例中，材料电磁参数测量系统中的吸波材料50包括基材以及周期排布于基材两相对侧表面的第一金属微结构100以及第二金属微结构200。第一金属微结构100的拓扑形状示意图如图3所示，第二金属微结构200的拓扑形状示意图如图4所示。第一金属微结构100包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。第二金属微结构200包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有缺口2011的四边形状。该两个金属微结构在基材两相对侧表面一一对应。优选地，第一金属微结构100的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二金属微结构200由一边中点具有缺口2011的正方形状的第三金属分支201构成。

当发射天线10辐射的电磁波到达吸波材料时，第一金属微结构100的第二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式ε=(CS)/(4πkd)可知，其中ε为吸波材料相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量，吸波材料的相对介电常数ε可通过调整第二金属分支102的面积S与第二金属分支102的间距d来调整，第二金属分支102的间距d即为第一金属分支101的长度；第二金属微结构200的第三金属分支201上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响吸波材料的相对磁导率μ。分别调节第一金属微结构100和第二金属微结构200的金属分支的尺寸和间隔即可调节金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节吸波材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ，使吸波材料具有良好的阻抗匹配特性和吸波特性。

在本发明第二较佳实施例中，材料电磁参数测量系统中的吸波材料50包括基材以及周期排布于基材一侧表面上的第三金属微结构300。第三金属微结构300拓扑形状示意图如图5所示。该第三金属微结构300包括第一金属分支301，该第一金属分支301构成一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。优选地，金属微结构300以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。

本较佳实施例中第三金属微结构300相当于结合了第一较佳实施例中的第一金属微结构100和第二金属微结构200，其对发射天线10的电磁波的电磁响应原理与第一较佳实施例相同，即相对的金属分支等效为电容元件从而调整吸热芯板的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电流根据右手螺旋定则感生磁场从而调整吸热芯板的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现为金属微结构300拆分为呈“工”字形的第一部分以及呈一边缺口的四边形状的第二部分，第一部分的金属分支分别聚集正负电荷形成等效容性元件从而调整吸波材料的相对介电常数，第二部分的金属分支形成环形电流并感生磁场从而调整吸波材料的相对磁导率。同时，由于本较佳实施例对金属微结构独特的图案设计使得基材上附着一面金属微结构即可满足设计要求。

在第一以及第二较佳实施例中，基材可选用FR-4材料、铁电材料、铁氧材料、陶瓷材料等。金属微结构可通过蚀刻、钻刻、电子刻、离子刻等方式附着于基材之上。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种材料电磁参数测量系统，其特征在于：包括发射天线、接收天线以及位于发射天线和接收天线之间的样品支架，被测样品设置于样品支架上；所述样品支架上除被测样品所占表面外，其他表面均被吸波材料覆盖。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述接收天线和发射天线同轴设置，所述被测样品长度大致等于发射天线和接收天线口径面直径。

3.如权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于：所述吸波材料为吸波海绵。

4.如权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于：所述吸波材料包括基材以及周期排布于基材两相对侧表面的第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支；所述第二金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

5.如权利要求4所述的测量系统，其特征在于：所述第一金属微结构的第二金属分支中点分别设于其所连接的该第一金属分支的端点，第二金属微结构由一边中点具有缺口的正方形状的第三金属分支构成。

6.如权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于：所述吸波材料包括基材以及周期排布于基材一侧表面的第三金属微结构，所述第三金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于：所述第三金属微结构以第二金属分支为对称轴成左右对称结构。

8.如权利要求4所述的测量系统，其特征在于：所述基材为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料或陶瓷材料。

9.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于：所述基材为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料或陶瓷材料。

10.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于：所述第一金属微结构和第二金属微结构通过蚀刻、钻刻、电子刻或离子刻附着于基材两相对侧表面上。