CN103698613A - 一种弱损耗介质复介电常数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弱损耗介质复介电常数的测量方法。土壤复介电常数是联系土壤属性与微波辐射能力的关键参数，建立土壤属性与复介电常数之间的关系需要准确地测量土壤介质的复介电常数。本发明的方法结合了传输反射法和自由空间波法，通过网络分析仪和微波窄带天线构成测量系统，利用吸波材料模拟自由空间法所需要的半无限大空间，在金属板标定的基础上，测量被测介质表面的反射系数，根据双层平面介质传输反射法原理计算土壤介质复介电常数。利用本发明的方法测量模拟月壤、聚四氟乙烯和淡水三种标准介质的复介电常数，测量结果与理论模型值非常吻合。与已有方法相比，本发明的方法具有操作容易，计算简单的优点，是测量土壤介电常数的有效方法。

Description

一种弱损耗介质复介电常数的测量方法

技术领域

本发明涉及一种弱损耗介质复介电常数的测量方法。 

背景技术

微波遥感从遥感器接收到的散射/辐射能量来解译、判读或者反演地表目标的性质和状态。在定量化遥感研究中，无论对遥感目标建立何种数学物理模型，采用何种理论、采取何种计算方法，都要求知道遥感目标准确的介电特性，否则一切都无法进行。因此对目标复介电常数的深入研究是微波遥感定量反演的基础性工作，是能从微波遥感数据中获得多少信息的关键。土壤介电常数是微波辐射传输模型以及土壤湿度、积雪深度遥感参数反演的关键参数之一，获取高精度的土壤复介电常数有利于地表参数微波遥感反演和辐射传输建模。 

介质复介电常数的测量方法可分两大类：时域测量法和频域测量法。时域测量法为电容测量法；频域测量方法比较常用，主要包括谐振腔法、传输线法、传输/反射法和自由空间波法。谐振腔法通过测量目标介质放入谐振腔前后的谐振频率和品质因数来计算出目标介质的相对复介电参数。该测量方法测量精度较高，尤其是对低损耗介质，但该方法只能在一个频率下进行测量，不能进行宽频段测量，具有局限性。同轴探针法/传输线法通过测量同轴探头端口处被测介质的反射系数进而计算出被测介质的复介电常数。该方法可对介质样品进行无损和宽频测量，特别适合测量高损耗介质（如液体介质）的复介电常数，但要求介质样品均匀，对校准介质样品和测试介质样品的要求都较高，对低损耗材料的灵敏度低，虚部的测量误差较大。自由空间法可以在不破坏测量对象的前提下进行宽频带测量，测量方法简单易实现，但因自由空间中的干扰因素较多，复介电常数的测量精度不高。基于单端口和双端口的传输线法（又称为NRW 传输/反射法）在过去50 年中得到了广泛应用，该方法将被测介质样品放入矩形波导或同轴线中, 通过矢量网络分析仪测量介质样品端面的散射参数，然后反演计算出被测介质样品的相对复介电常数；NRW 传输/反射法简单且精度较高，对同轴和波导系统均适用。然而，NRW 传输/反射方法也存在着以下一些问题：具有厚度谐振和多值性，需要极薄介质样品，不能测量不规则介质样品，低损耗介质测量的不确定性大等问题。

发明内容

本发明提出一种弱损耗介质复介电常数的测量方法。该方法结合了自由空间波法和传输/反射法的优点，利用吸波材料模拟自由空间波法所需要的半无限大空间测量条件，采用自由空间波法的测量方式，利用传输/反射法原理对介质复介电常数进行求解。测量装置由网络分析仪、微波窄带天线、微波吸波材料和高度调节装置构成，网络分析仪记录土壤介质表面的反射信号，透过信号被介质样品下面的微波吸波材料吸收，根据测量的两层介质反射系数求解土壤介质样品的复介电常数。 

本发明提出一种弱损耗介质复介电常数的测量方法，步骤和条件如下：

（1）使用的测量装置由网络分析仪、微波窄带天线、塑料泡沫板介质样品盒、吸波材料、精密升降仪、液压升降仪组成；网络分析仪与微波窄带天线连接；吸波材料置于精密升降仪上面；精密升降仪置于液压升降仪的上面，两者组成高度调节装置；

（2）介质样品处理：介质样品表面要平整光滑；土壤类介质样品要风干，之后进行碾磨，并用2mm孔径土壤筛进行筛选，平整土壤类介质样品表面；要保证土壤内部的均匀性，使土壤内部不存在体散射现象；

（3）将介质样品置于塑料泡沫板介质样品盒中，厚度为2-3cm；

（4）吸波材料为SA型角锥泡沫塑料，为保证吸波材料的吸收效率，厚度为10cm；

（5）在放置介质样品之前，将微波窄带天线对准吸波材料，读取网络分析仪的反射系数的测量值；由于吸波材料为全吸收材料，反射系数为0，那么网络分析仪测量的反射系数为天线口面不匹配引起的天线口面反射系数 

；

（6）测量两层介质的有效反射系数，两层介质的有效反射系数R为：

        （1）

其中

为天线口面处的反射系数，为被测介质的反射系数，d₀为天线口面离介质的距离，k₀为自由空间传播常数，k₀=2π/f，f为电磁波频率(Hz)；

窄带天线置于塑料泡沫板介质样品盒中介质样品上方，利用高度调节装置调整

，使

，（如电磁波频率为5.4GHz，则d₀=1.38cm），则有：

                      （2）

结合（1）和（2），变换得到：

                   （3）

由Fresnel定理可知，垂直入射时，介质表面的反射系数可以表示为：

                       （4）

联合等式（3）和（4）可得：

   （5）

把步骤（5）得到的天线口面处的反射系数带入式（5），得到介质复介电常数ε值。

有益效果：本发明提出一种弱损耗介质复介电常数的测量方法。测量装置由网络分析仪、微波窄带天线、介质样品盒、吸波材料和高度调节装置构成。该方法结合了自由空间波法与传输/反射法的优点，利用吸波材料模拟自由空间波法所需要的半无限大空间测量条件，采用自由空间波法的测量方式，利用传输/反射法原理对介质复介电常数进行求解。网络分析仪记录土壤介质表面的反射信号，透过信号被介质样品下面的吸波材料吸收，根据测量的两层介质反射系数求解介质样品的复介电常数。

利用本发明的测量方法测量模拟月壤、聚四氟乙烯和淡水三种标准介质的复介电常数，测量结果与理论（模型）值非常吻合。与已有方法相比，该方法具有操作容易，计算简单的优点，本发明的测量方法是测量土壤介电常数的有效方法。

附图说明   图1 是复介电常数测量装置示意图。

      图2 计算复介电常数时对图1的简化图。

具体实施方式

实施例1   一种弱损耗介质复介电常数的测量方法，步骤和条件如下：

（1）如图1所示，使用的测量装置由网络分析仪1、微波窄带天线2、塑料泡沫板介质样品盒3、吸波材料4、精密升降仪5、液压升降仪6组成；网络分析仪1与微波窄带天线2连接；吸波材料4置于精密升降仪5上面；精密升降仪5置于液压升降仪6的上面，两者组成高度调节装置；精密升降台5，型号为BS60-1，行程（Travel Range）为60mm，分辨率（Resolution）为0.01mm，负载（Load）为20 Kg。用于介质样品平台高度的精确调整，保证相位测量的准确性。测量频率f为5.4GHz，在0.01mm距离分辨率条件下，相位测量精度为

=0.0652°，其中c为光速（m/s）。

（2）介质样品处理：介质样品7为模拟月壤，表面要平整光滑；之所以要求介质样品表面满足光滑表面条件，是为避免介质表面出现表面散射情况，减小复介电常数的求解复杂度；

（3）将介质样品置于塑料泡沫板介质样品盒3中，厚度为2-3cm；

（4）吸波材料4置于精密升降仪5上面；吸波材料为SA型角锥泡沫塑料，为保证吸波材料的吸收效率，厚度为10cm；

（5）在放置介质样品之前，将微波窄带天线2对准吸波材料，读取网络分析仪的反射系数的测量值；由于吸波材料为全吸收材料，反射系数为0，那么网络分析仪测量的反射系数为天线口面不匹配引起的天线口面反射系数

；微波窄带天线2的具体参数：频率范围0.1GHz-15GHz；

（6）测量两层介质的有效反射系数，两层介质的有效反射系数R为：

        （1）

其中

为天线口面处的反射系数，

为被测介质的反射系数，d₀为天线口面离介质的距离，k₀为自由空间传播常数，k₀=2π/f，f为电磁波频率(Hz) （如图2所示）；

窄带天线置于塑料泡沫板介质样品盒中介质样品上方，利用高度调节装置调整

，使

，（如电磁波频率为5.4GHz，则d₀=1.38cm），则有：

                      （2）

结合（1）和（2），变换得到：

                   （3）

由Fresnel定理可知，垂直入射时，介质表面的反射系数可以表示为：

                       （4）

联合等式（3）和（4）可得：

   （5）

把步骤（5）得到的天线口面处的反射系数

带入式（5），得到介质复介电常数ε值。

实施例2   选择介质样品7为已知介电常数的淡水标准介质样品；（3）将淡水标准介质样品置于塑料泡沫板介质样品盒3中；其余的如实施例1。

实施例3  选择标准样品7为已知介电常数的聚四氟乙烯标准介质样品；其余的如实施例2。

为证实本发明提出的介电常数测量方法的正确性与有效性，对三种已知介电常数的标准样本进行测量。实施例1-3选择模拟月壤、淡水与聚四氟乙烯三种介质作为标准介质样品。测量的复介电常数与标准值如表1所示。对比三种标准介质样品的复介电常数测量结果与标准值，发现：聚四氟乙烯和淡水的介电常数测量与理论（模型）值非常接近。聚四氟乙烯的介电常数实部测量值为2.0025，在理论值范围[2，2.2]之间，虚部测量值0.007与理论值0.0077也非常相近。淡水的介电常数测量值与Debye模型计算的介电常数值非常接近，实部的偏差为0.0835，虚部的偏差为0.0927。这说明利用本发明提出方法测量的介电常数值与理论值非常接近，与理论值的偏差小于0.1。模拟月壤的介电常数实部测量值为1.6665，高于开口同轴法的测量结果，目前没有一个被广泛认可的月壤介电常数模型，但其测量值应该大于1；模拟月壤虚部测量值为0.2037，与开口同轴法的测量结果一致。

表1. 三种标准材料5.4GHz复介电常数测量结果

测量样本	损耗（dB）	相位偏差(°)	测量ε'	测量ε''	参考ε'	参考ε''
							模拟月壤a	14.5	32	1.6665	0.2037	0.971	0.2021
聚四氟乙烯b	12.0	33	2.0025	0.0077	2~2.2	~7×10-3
							淡水c	4.1	33.5	5.1418	6.6340	5.0583	6.7267

a 模拟月壤重量含水量为0，测量温度为22.5℃，模拟月壤介电常数参考值来自于吉林大学开口同轴法测量结果，模拟月壤参考值来自于（Meng Z G, Chen S B, Du X J, Influence of temperature and frequency on microwave dielectric properties of the lunar regolith simulant，Chinese Geographical Science ,2011,21(1): 94-101）。

b 聚四氟乙烯测量温度为22℃，参考值来自于（李仰平, 周庆, 刘翔. 复合聚四氟乙烯耐电弧烧蚀及其介电性能的试验研究, 绝缘材料, 2006, 39(2): 36-38）。

c 淡水的复介电常数的参考值为5.0583 - 6.7267i，环境温度为20℃，来自于Debye淡水介电常数模型的模拟值(Liu Q H, Weng F Z, English S J，An Improved Fast Microwave Water Emissivity Model，IEEE transactions on geosciences and remote sensing, 2011, 49(4):1238-1250)。

参考文献：

[1]      张俊荣,张德海,王丽巍等, 微波遥感典型地物介电常数实地测量，电子与信息学报, 1997,V19(4): 566-569.

[2]      张俊荣,张德海.微波遥感中的介电常数, 遥感技术与应用, 1994,9(2):30-43.

[3]      李丽英,张立新,赵少杰.冻土介电常数的实验研究.北京师范大学学报(自然科学版):2007,43(3): 241-244.

[4]      曹江. 介质材料电磁参数测量综述. 宇航计测技术,1994 ,13 (3) :30～34.

[5]      Muno J, et al. A Method for Measuring the Permittivity without Ambiguity Using Six Port Reflectometer. IEEE Trans.1993, IM-42(2):80-85

[6]      孔金瓯著, 吴季译.电磁波理论,电子工业出版社,北京,2003.

[7]      唐宗熙.电介质材料微波介电常数测试方法与测试系统研究.1999.成都:电子科技大学博士学位论文.

[8]      Meng Z G, Chen S B, Du X J. Influence of temperature and frequency on microwave dielectric properties of the lunar regolith simulant，Chinese Geographical Science ,2011,21(1): 94-101.

[9]      李仰平, 周庆, 刘翔. 复合聚四氟乙烯耐电弧烧蚀及其介电性能的试验研究, 绝缘材料, 2006, 39(2): 36-38.

[10] Liu Q H, Weng F Z, English S J，An Improved Fast Microwave Water Emissivity Model，IEEE transactions on geosciences and remote sensing, 2011, 49(4):1238-1250.

Claims (1)

1.一种弱损耗介质复介电常数的测量方法，步骤和条件如下：

（1）使用的测量装置由网络分析仪、微波窄带天线、塑料泡沫板介质样品盒、吸波材料、精密升降仪、液压升降仪组成；网络分析仪与微波窄带天线连接；吸波材料置于精密升降仪上面；精密升降仪置于液压升降仪的上面，两者组成高度调节装置；

（2）介质样品处理：介质样品表面要平整光滑；

（3）将介质样品置于塑料泡沫板介质样品盒中，厚度为2-3cm；

（4）吸波材料为SA型角锥泡沫塑料，厚度为10cm；

    （5）在放置介质样品之前，将微波窄带天线对准吸波材料，读取网络分析仪的反射系数的测量值 

；

（6）测量两层介质的有效反射系数，两层介质的有效反射系数R为：

        （1）

其中为天线口面处的反射系数，

为被测介质的反射系数，d₀为天线口面离介质的距离，k₀为自由空间传播常数，k₀=2π/f，f为电磁波频率；

窄带天线置于塑料泡沫板介质样品盒中介质样品上方，利用高度调节装置调整

，使

，则有：

                      （2）

结合（1）和（2），变换得到：

                   （3）

由Fresnel定理可知，垂直入射时，介质表面的反射系数可以表示为：

                       （4）

联合等式（3）和（4）可得：

   （5）

把步骤（5）得到的天线口面处的反射系数

带入式（5），得到介质复介电常数ε值。

 

 

 

 

 

 

Images