CN103728321A - 多功能材料电磁参数测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明多功能材料电磁参数测试系统，包括底座，以及分别固定在底座上的拱形架，工作台和辅助滑轨；辅助滑轨呈圆弧形，并与拱形架处于同一平面内，其圆心与拱形架圆弧部分的圆心重合；工作台上设置透射孔，透射孔的中心点与辅助滑轨圆心重合；工作台水平设置且通过两侧的立板与底座固定连接；拱形架和辅助滑轨分别设置有滑动连接的信号天线，信号天线用于发射或接收信号。基于测试系统的多功能材料电磁参数测试方法针对不同的测试参数调整拱形架和辅助滑轨的相对位置，并设置工作台和立板上标准金属板或测试材料的安装，利用信号天线的发射信号和接受信号得到测试参数；对测试材料进行测试的电磁参数包括透射率和/或反射率和/或空间电磁参数。

Description

多功能材料电磁参数测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及微波测试领域，具体为一种多功能材料电磁参数测试系统及测试方法。

背景技术

微波介质材料广泛应用于各种通信及雷达等系统中，介质材料的介电参数(或称复介电常数)是设计微波电路及系统基本的和重要的参数。随着电子设备要求的提高，对材料的电磁参数的测试也提出了更高的要求，并且很多参数的测试需要不同的系统来完成，虽然测试的材料没有发生变化，但是不同的系统的误差和测试影响因素都不同，因此通过非同一系统测试的不同参数对多功能材料进行整体评价就会出现偏差，影响对整个材料的客观评价。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种多功能材料电磁参数测试系统及测试方法，能够满足对材料多方面测试需求，以及配套的测试方法，从而客观准确的对材料做出测试评价。

本发明是通过以下技术方案来实现：

多功能材料电磁参数测试系统，包括底座，以及分别固定在底座上的拱形架，工作台和辅助滑轨；所述的辅助滑轨呈圆弧形，并与拱形架处于同一平面内，其圆心与拱形架圆弧部分的圆心重合；所述的工作台上设置透射孔，透射孔的中心点与辅助滑轨圆心重合；工作台水平设置且通过两侧的立板与底座固定连接；拱形架和辅助滑轨分别设置有滑动连接的信号天线，信号天线用于发射或接收信号。

优选的，工作台包括固定台面和能够向下折叠的活动台面；透射孔设置的固定台面上，立板分别设置在固定台面的两侧。

进一步，固定台面和两侧的立板的外表面上能够设置标准金属板或测试材料，活动台面的上下两侧均能够设置标准金属板或测试材料。

优选的，拱形架上滑动设置有两个信号天线，辅助滑轨上滑动设置有一个信号天线。

优选的，信号天线采用喇叭天线。

本发明基于进一步所述的多功能材料电磁参数测试系统的多功能材料电磁参数测试方法针对不同的测试参数调整拱形架和辅助滑轨的相对位置，并设置工作台和立板上标准金属板或测试材料的安装，利用信号天线的发射信号和接受信号得到测试参数；对测试材料进行测试的电磁参数包括透射率和/或反射率和/或空间电磁参数；具体包括如下的步骤，

1）测试材料的反射率测试；

11）依次将测试材料和标准金属板分别布置在固定台面的上表面、立板的外侧以及活动台面的上下两侧；在拱形架上以其中线为对称线镜面对称设置两个信号天线，其中一个用于发射信号，另一个用于接收信号；12）测空暗室并对背景做软件对消，利用投线仪对标准金属板及测试材料样品进行校准；13）调整信号天线，使测试材料以需要的角度对准信号天线，并记录测试材料的散射值；14）通过测试材料的测试值与标准金属板的散射值之差计算得到测试材料的反射率；

2）测试材料的透射率测试；

21）将平板状的测试材料布置在固定台面的上表面，立板的外侧，以及覆盖在透射孔上；将尖锥状的测试材料布置在活动台面的上下两侧，并将活动台面折叠放下；分别在拱形架和辅助滑轨上分别设置一个位于呈中心对称的信号天线，拱形架上信号天线用于发射，辅助滑轨上的信号天线用于接收；22）测空暗室并对背景做软件对消，利用投线仪对测试材料样品进行校准；23）调整信号天线，使测试材料以需要的角度对准信号天线，并记录测试材料的散射值；24）计算测试材料的透射率；

3）利用自由空间法对测试材料的空间电磁参数进行测试。

优选的，步骤1）中，先利用设置在透射孔中心的标准金属球，测试得到标准金属球的散射值；根据如下公式得到标准金属板的散射值；

S_板=S_球+△RCS；

$\mathrm{\ΔRCS}=10\lg \frac{{4\mathrm{\πA}}^2/{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\πr}}^2};$

其中，A为正方形标准金属板的边长，λ为发射电磁波的波长，r为标准金属球的直径。

优选的，步骤3）中采用单反射方式进行测试，利用步骤1）中的测试步骤，分别在不同的测试材料厚度下，得到两次不同状态下的反射系数，根据两次反射系数计算得出空间电磁参数。

优选的，步骤3）中利用传输反射方式进行测试，利用步骤1）和步骤2）中测试步骤，分别测出测试材料的反射系数和透射系数，根据反射系数和透射系数计算得出测试材料的空间电磁参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的测试系统，通过拱形架和辅助滑轨的设置，能够满足在工作台上对测试材料多种电磁参数的测试要求，实现了不同测试系统的集成，使得能够对测试材料进行客观和准确的评价，简化了测试的操作，提高了测试的效率和精度。通过拱形架圆弧部分圆心、辅助滑轨的圆心以及透射孔中心的重叠，保证了信号天线移动时都能够有统一的发射和接收交点，从而降低了系统操作难度，提高了测试效率，更重要的是保证了在多种测试条件下的高精度。

进一步的，通过活动台面的设置，提高了测试系统的适应能力，通过对信号天线数量和类型的优选，将了测试系统的成本，提高了测试系统的利用率。

本发明测试方法，通过在同一测试系统中，通过对信号天线，以及工作台上贴覆材质的改变，能够完成对测试材料反射率、透射率和空间电磁参数的测试，实现了多用的功能和目的，简化了操作，降低了成本，提高了测试的准确性。

进一步的，通过先利用标准金属球测试，再根据测试结果得到标准金属板的散射值，相当于保证了利用标准金属平板测量过程中其与入射方向保持垂直。由于标准金属板作为定标器件，对角度的变化十分敏感，如果标准金属板测试值偏小或者偏大，将会导致计算出的测试材料的反射率偏大或者偏小。本发明通过标准金属球的RCS值精确的推算标准金属板的RCS值，因为只要信号天线对准标准金属球，无论角度如何其测量结果均不会出现偏差。保证了标准金属球的测试精度，也就是保证了标准金属板的散射值精度，提高了测试的精度，降低了操作难度。

进一步的，能够根据不同的需求，选择对空间电磁参数的测量方式，利用测试系统提高了测试基础，能够简单高效通过不同的方法完成对目标值的测试，保证了自由空间法的测试精度。

附图说明

图1为本发明所述测试系统的结构示意图。

图2为本发明所述测试方法进行反射率测试时的系统布置图。

图3为本发明所述测试方法进行透射率测试时的系统布置图。

图4为本发明所述测试方法进行空间电磁参数测试时的系统布置图。

图5为本发明所述测试方法进行单反射方式测试时的系统原理图。

图6为本发明所述测试方法进行传输反射方式测试时的系统原理图。

图中：1为底座，2为拱形架，3为工作台，4为辅助滑轨，5为透射孔，6为立板，7为喇叭天线，81为尖锥状测试材料，82为平板状测试材料，9为标准金属板。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明多功能材料电磁参数测试系统，如图1所示，其包括底座1，以及分别固定在底座1上的拱形架2，工作台3和辅助滑轨4；所述的辅助滑轨4呈圆弧形，并与拱形架2处于同一平面内，其圆心与拱形架2圆弧部分的圆心重合；所述的工作台3上设置透射孔5，透射孔5的中心点与辅助滑轨4圆心重合；从而实现了三心重合，使得测试系统在调整时能够保证其最基本的测试要求，简化了操作，提高了测试精度；工作台3水平设置且通过两侧的立板6与底座固定连接；拱形架2和辅助滑轨4分别设置有滑动连接的信号天线，信号天线用于发射或接收信号。透射孔5主要是在测试材料的透射率测试时摆放材料。

优选的，如图1所示，工作台3包括固定台面和能够向下折叠的活动台面；透射孔5设置的固定台面上，立板6分别设置在固定台面的两侧；固定台面和两侧的立板6的外表面上能够设置标准金属板或测试材料，活动台面的上下两侧均能够设置标准金属板或测试材料。

本优选实施例中，如图1所示，拱形架2上滑动设置有两个信号天线，辅助滑轨4上滑动设置有一个信号天线；信号天线采用喇叭天线7。

本发明基于以上优选的多功能材料电磁参数测试系统的多功能材料电磁参数测试方法，针对不同的测试参数调整拱形架2和辅助滑轨4的相对位置，并设置工作台3和立板6上标准金属板或测试材料的安装，利用信号天线的发射信号和接受信号得到测试参数；对测试材料进行测试的电磁参数包括透射率和/或反射率和/或空间电磁参数；具体包括如下的步骤，

1）测试材料的反射率测试，如图2所示，11）依次将测试材料和标准金属板分别布置在固定台面的上表面、立板6的外侧以及活动台面的上下两侧；在拱形架2上以其中线为对称线镜面对称设置两个信号天线，其中一个用于发射信号，另一个用于接收信号；12）测空暗室并对背景做软件对消，利用投线仪对标准金属板及测试材料样品进行校准；13）调整信号天线，使测试材料以需要的角度对准信号天线，并记录测试材料的散射值；14）通过测试材料的测试值与标准金属板的散射值之差计算得到测试材料的反射率。

测试时，利用镜面对称的两个喇叭天线7一个发射电磁波，另一个接受反射后的电磁波，从而得到测试结果；测试材料的反射率是频率、角度的函数。测试难点在于因测试材料吸波，返回能量非常弱，所以难以检测准确，根据GJB2038-94，采用扫频时域方法，测试是对标准金属板和测试材料分别进行相同步骤的操作，利用矢量网络分析仪发射频率步进的信号，通过扫频得到测试材料的频域响应，应用傅立叶变换，将其变换到时域，在选取合适的门函数，截取主要的能量之后，反变换回频域，分别比较测试材料和标准金属板的测试值，取差后得到吸波材料的反射率。

测量过程中保证标准金属板与入射波方向保持垂直至关重要。作为定标器件，标准金属板对角度的变化十分敏感，如果标准金属板测试值偏小或者偏大，将会导致计算出的测试材料的反射率偏大或者偏小。本发明所述测试系统巧妙运用了标准金属板与标准金属球之间的关系，可有效地避免这一问题。由于标准金属球的RCS值与喇叭天线7的方向性关系不大，因此只要喇叭天线对标准金属球，其测量结果是一样的。此外，标准金属板与标准球的理论值可以通过计算得到，所以可根据标准球的测量值，推算出标准金属板的测量值。

计算标准金属球与标准金属板的RCS差值

$\mathrm{\ΔRCS}=10\lg \frac{{4\mathrm{\πA}}^2/{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\πr}}^2};$

其中，A为正方形金属板的边长，λ为照射电磁波的波长，r为标准球的直径。由该标准金属球可以得到标准金属平板的测量值：

S_板=S_球+△RCS。

2）测试材料的透射率测试；如图3所示，21）将平板状的测试材料布置在固定台面的上表面，立板6的外侧，以及覆盖在透射孔5上；将尖锥状测试材料81布置在活动台面的上下两侧，并将活动台面折叠放下；分别在拱形架2和辅助滑轨4上分别设置一个位于呈中心对称的信号天线，拱形架2上信号天线用于发射，辅助滑轨4上的信号天线用于接收；22）测空暗室并对背景做软件对消，利用投线仪对测试材料样品进行校准；23）调整信号天线，使测试材料以需要的角度对准信号天线，并记录测试材料的散射值；24）计算测试材料的透射率。本优选实施例中，如图3所示，采用均位于拱形架2中线上的喇叭天线7进行测试，系统调整简单，测试操作简便，测试效率高，精度准确。

3）利用自由空间法对测试材料的空间电磁参数进行测试。采用的系统布置如图4所示，其在步骤2）系统布置的基础上正在拱形架2上增加了一个喇叭天线7。

自由空间法是一种非接触和非破坏性的测试方法，利用信号天线将电磁波辐射到自由空间，再利用信号天线接收并测量测试材料对所发射电磁波的反射和透射信号，计算测试材料的透射率和空间电磁参数。自由空间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透射率和电磁参数。此外，自由空间法适用范围广，既可用于高损耗的吸波复合材料透射率和电磁参数的测量，亦可用于天线罩等损耗较低的复合材料透射率和电磁参数的测量。该方法的测试带宽非常广，通常测试频率为5～40GHz，甚至更高可达100GHz。

在实际测量中，自由空间法按具体测量方式能够采用单反射测量和传输反射测量。

单反射方式测量时，如图5所示，其是在两次不同厚度下测出材料对电磁波的反射系数，然后利用两次数据计算出电磁参数。本优选实施例中，利用在拱形架2上的两个喇叭天线7先测量出平板状测试材料82的反射系数，然后紧贴平板状测试材料82背后放置一个大小相同的标准金属板，再测量一次反射系数，最后利用两次的数据计算出电磁参数。

传输反射方式测量时，分别测出测试材料的反射系数和透射系数，优选的，如图6所示，能够利用收发同向的喇叭天线7分别测出系统的反射和透射系数，也就是在一条穿过辅助滑轨4圆心的直线上设置发射天线和接收天线进行测试，最后再通过反射系数和透射系数计算电磁参数。所采用的测量方式可视具体情况而定。

计算时，电磁参数一般表达式如下：

εr=ε′r-jε″r,μr=μ′r-jμ″r

根据测试方式的不同，所需测量数据的不同，所用的具体计算公式亦不同，但均基于迈克斯韦方程和菲涅尔反射定律。

测试材料的空间电磁参数包括复相对介电常数ε和复相对磁导率μ_r，分别有由以下公式算出：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Q^2+{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\μ}}_r},{\mathrm{\μ}}_r=\frac{(1+R)\×Q}{(1-R)\×\cos \mathrm{\θ}},$

其中，θ为电磁波入射角；

在传输反射方式下，

$R=K\±K^2-1,P=\frac{S_{11}+S_{21}-R}{1-R(S_{11}+S_{21})}.$

$K=\frac{S_{11}^2-S_{21}^2+1}{{2S}_{11}},Q=\frac{{\mathrm{\λ}}_0(2\mathrm{n\π}-P)}{2\mathrm{\πd}}+j\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\πd}}\ln \frac{1}{\left|P\right|},$

S₁₁是测试材料的反射系数，S₂₁是测试材料的透射系数，λ₀为入射电磁波真空中的波长，d为测试材料的厚度。

在单反射方式下：

$S_{11}=\frac{R(1-P^2)}{1-R^2{P}^2},S_{11}^{\′}=\frac{R-P^2}{1-{\mathrm{RP}}^2};$

$R=\frac{L-1\±{(L-1)}^2-4}{2},P=\±\frac{R-S_{11}^{\′}}{1-{\mathrm{RS}}_{11}^{\′}};$

S₁₁是测试材料的一次反射系数，S′₁₁是测试材料的二次反射系数，L是两次测试时的材料的厚度差。

Claims (9)

1.多功能材料电磁参数测试系统，其特征在于，包括底座（1），以及分别固定在底座（1）上的拱形架（2），工作台（3）和辅助滑轨（4）；所述的辅助滑轨（4）呈圆弧形，并与拱形架（2）处于同一平面内，其圆心与拱形架（2）圆弧部分的圆心重合；所述的工作台（3）上设置透射孔（5），透射孔（5）的中心点与辅助滑轨（4）圆心重合；工作台（3）水平设置且通过两侧的立板（6）与底座固定连接；拱形架（2）和辅助滑轨（4）分别设置有滑动连接的信号天线，信号天线用于发射或接收信号。

2.根据权利要求1所述的多功能材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述的工作台（3）包括固定台面和能够向下折叠的活动台面；透射孔（5）设置的固定台面上，立板（6）分别设置在固定台面的两侧。

3.根据权利要求2所述的多功能材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述的固定台面和两侧的立板（6）的外表面上设置标准金属板或测试材料，活动台面的上下两侧均设置标准金属板或测试材料。

4.根据权利要求1所述的多功能材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述的拱形架（2）上滑动设置有两个信号天线，辅助滑轨（4）上滑动设置有一个信号天线。

5.根据权利要求1或4所述的多功能材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述的信号天线采用喇叭天线（7）。

6.基于权利要求3所述的多功能材料电磁参数测试系统的多功能材料电磁参数测试方法，其特征在于，针对不同的测试参数调整拱形架（2）和辅助滑轨（4）的相对位置，并设置工作台（3）和立板（6）上标准金属板或测试材料的安装，利用信号天线的发射信号和接受信号得到测试参数；对测试材料进行测试的电磁参数包括透射率和/或反射率和/或空间电磁参数；具体包括如下的步骤，

1）测试材料的反射率测试；

11）依次将测试材料和标准金属板分别布置在固定台面的上表面、立板（6）的外侧以及活动台面的上下两侧；在拱形架（2）上以其中线为对称线镜面对称设置两个信号天线，其中一个用于发射信号，另一个用于接收信号；12）测空暗室并对背景做软件对消，利用投线仪对标准金属板及测试材料样品进行校准；13）调整信号天线，使测试材料以需要的角度对准信号天线，并记录测试材料的散射值；14）通过测试材料的测试值与标准金属板的散射值之差计算得到测试材料的反射率；

2）测试材料的透射率测试；

21）将平板状的测试材料布置在固定台面的上表面，立板（6）的外侧，以及覆盖在透射孔（5）上；将尖锥状的测试材料布置在活动台面的上下两侧，并将活动台面折叠放下；分别在拱形架（2）和辅助滑轨（4）上分别设置一个位于呈中心对称的信号天线，拱形架（2）上信号天线用于发射，辅助滑轨（4）上的信号天线用于接收；22）测空暗室并对背景做软件对消，利用投线仪对测试材料样品进行校准；23）调整信号天线，使测试材料以需要的角度对准信号天线，并记录测试材料的散射值；24）计算测试材料的透射率；

3）利用自由空间法对测试材料的空间电磁参数进行测试。

7.根据权利要求6所述的多功能材料电磁参数测试方法，其特征在于，所述的步骤1）中，先利用设置在透射孔（5）中心的标准金属球，测试得到标准金属球的散射值；根据如下公式得到标准金属板的散射值；

S_板=S_球+△RCS；

$\mathrm{\ΔRCS}=10\lg \frac{{4\mathrm{\πA}}^2/{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\πr}}^2};$

其中，A为正方形标准金属板的边长，λ为发射电磁波的波长，r为标准金属球的直径。

8.根据权利要求6所述的多功能材料电磁参数测试方法，其特征在于，所述的步骤3）中采用单反射方式进行测试，利用步骤1）中的测试步骤，分别在不同的测试材料厚度下，得到两次不同状态下的反射系数，根据两次反射系数计算得出空间电磁参数。

9.根据权利要求6所述的多功能材料电磁参数测试方法，其特征在于，所述的步骤3）中利用传输反射方式进行测试，利用步骤1）和步骤2）中测试步骤，分别测出测试材料的反射系数和透射系数，根据反射系数和透射系数计算得出测试材料的空间电磁参数。

Images