CN104111378A - 微波材料电磁参数及屏蔽性能的带状线测试方法 - Google Patents

Abstract

一种微波材料电磁参数及屏蔽性能的带状线(slab line)测试方法，属于微波、毫米波材料电磁参数测试领域，涉及带状线(slab line)。该方法通过校准之后的带状线加载微波被测材料时的网络参数来计算被测材料的复介电常数和复磁导率，并通过加载和未加载样品所得的网络参数计算出材料的屏蔽性能。该方法组建的测试系统包括带状线(slabline)、带状线到同轴的过渡段、APC-7连接器、支撑座、矢量网络分析仪和聚四氟乙烯块六部分。对矢量网络分析仪进行校准后与其他五部分组成系统，记录未加载样品后的S₁₁，S₂₁。将被测材料紧贴带状线的内导体一周，再次记录上述两个个网络参数。由此两组参数来计算被测材料的电磁参数。

Description

微波材料电磁参数及屏蔽性能的带状线测试方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波材料电磁参数测试领域，涉及带状线(slabline)。

背景技术

微波材料作为电磁波传输媒质已广泛地应用于微波的各个领域中，如微波通信、卫星通信、导弹制导、电子对抗、雷达导航、遥感、遥测等系统已大量使用微波介质材料。介质材料电磁参数一般是指复介电常数和复磁导率，电磁参数是描述介质材料电磁特性的两个基本的特征参数，它们表征了材料与电磁场的相互作用。电磁参数的测试随着介质材料的广泛应用具有越来越重要的应用意义。在研制、生产和使用微波介质材料时，准确地测试其微波电磁参数是必要的，尤其是进行微波电路设计时，如设计窄带滤波器和谐振器等选频元器件时，显得更为重要。

材料电磁参数测试技术经过几十年的发展，已经形成一套比较完整的科学体系。目前，在微波和毫米波材料测试领域中，材料测试技术按测试原理主要分为两大类：网络参数法和谐振法。本发明采用的是网络参数法中的传输/反射法。

目前，这些方法都存在一些问题，比如谐振腔法只能进行较少频率点的电磁参数测试，波导只能在对应比较窄工作频带内进行测试，同轴线法制作样品不方便等。该测试系统可以在一定程度上解决这些问题。

发明内容

本发明采用带状线(slabline)作为一种新的传输线来对介质材料进行宽带电磁参数测试，这种测试方法可以实现微波材料电磁参数的宽带测试，测试样品容易制作，更有利于粉末及液体材料电磁参数的宽带扫频测试，并具备材料的传输特性屏蔽性能测试功能。

本发明的技术方案如下：

测试装置包括带状线(slabline)(1)、带状线到同轴的过渡段(2)、APC-7连接器(3)、支撑座(4)、矢量网络分析仪(5)。带状线(slabline)(1)的内导体(13)为圆柱形，外导体(11)、(12)位于内导体(13)的上、下方，关于内导体呈对称分布，聚四氟乙烯块(14)厚度10mm，其位置依据待测样品的厚度而定，最终实现待测样品处于整个系统的中间，而两个聚四氟乙烯块刚好放置样品的左右两端。填充介质为空气，如图1所示。带状线(slabline)(1)的特征在于，内导体(13)为圆柱形，外导体(11)、(12)的靠近质介质(23)、(24)的两条棱做倒角处理，如图2所示；两个外导体的距离和内导体的直径根据带状线(slabline)特性阻抗的公式确定，使得该传输线的特性阻抗为50欧姆。内导体相对于外导体左右两端各延伸12mm构成锥形台。该锥形台的的大直径为内导体的直径，小直径与APC-7连接器的内直径大小相同。带状线到同轴的过渡段(2)包括边板(21)、(22)、介质(23)、(24)。边板(21)、(22)的中间挖去一个锥形台，该锥形台的两个直径根据同轴线的特性阻抗公式确定，介质做成相应的形状以填充在边板与内导体之间，三部分构成同轴线。根据同轴线的特性阻抗的公式确定相应的尺寸。APC-7连接器的法兰固定在边板上，内导体插入过渡段的内导体中。加载样品后的带状线如图3所示。

该微波测试系统的具体工作过程是：矢量网络分析仪(5)通过电缆、APC-7连接器(3)、带状线到同轴的过渡段(2)、聚四氟乙烯块(14)与带状线(slabline)(1)进行连接。对该系统进行校准，然后将被测材料样品嵌入外导体(11)、(12)之间。再测试S参数，然后根据相应的软件对材料样品进行测试分析。

有益效果：

一、本系统采用带状线(slabline)加载介质材料的方式，两个接地板的棱进行倒角，实现良好的过渡。

二、带状线到同轴的过渡直接采用同轴线的渐变，可以得到较小的电压驻波比。

三、本系统能够在10MHz～18GHz的宽带范围内得到满意的特性，具有宽频带、结构紧凑、性能良好的特点。

四、样品制作简单，特别适合粉末及液体样品的测试。

附图说明

图1是本系统的结构示意图。

其中，1是带状线(slabline)，2是带状线到同轴的过渡段，3是APC-7连接器，5是矢量网络分析仪，14是聚四氟乙烯块。

图2是带状线(slabline)接地板倒角的示意图。

图3是加载样品后的带状线。

具体实施方式

将带状线(slabline)(1)，带状线到同轴的过渡段(2)、APC-7连接器(3)，以及聚四氟乙烯夹具(14)连接在一起，固定于支撑座(4)，通过APC-7接头连接电缆后与矢量网络分析仪(5)连接。

一、利用带状线(slabline)测试微波材料电磁参数的具体步骤是：

步骤1：选定测试频率范围，用SOLT对矢量网络分析仪和电缆进行校准。

步骤2：测试未加载任何材料的整个系统，得到测试系统的散射参数S_11m、S_21m。由散射参数的相位和传播长度的关系式θ＝-β₀l可以得到，测试系统等效为50欧姆传输线的长度为l。关系式中：

${\mathrm{\β}}_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}---\left(1\right)$

其中，λ₀是电磁波在自由空间中的波长。

步骤3：将适量的被测材料放置在两个聚四氟乙烯夹具中间，厚度为d，测试获得S₁₁、S₂₁。

步骤4：利用散射参数的定义，得到被测材料两端面的散射参数S_11s，S_21s。计算公式如下：

S_11S＝S₁₁·exp[jβ₀(l-d)]      (2)

S_21S＝S₂₁·exp[-jβ₀(l-d)]    (3)

将加载样品后的带状线视为二端口网络，在端口处的反射系数Γ和复介电常数ε_r以及复磁导率μ_r有如下的关系：

$\mathrm{\Γ}=\frac{Z_C-Z_0}{Z_C+Z_0}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r/{\mathrm{\ϵ}}_r}-1}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r/{\mathrm{\ϵ}}_r}+1}---\left(4\right)$

(4)式中Z_c和Z₀分别是带状线加载样品区域和未加载样品区域的特性阻抗。对于有线长度d的传输线其传输系数T为：

在(5)式中，ω和c分别是角频率和真空中的光速。二端口网络的散射参数可以表示成：

$S_{21}=\frac{V_B}{V_{\mathrm{ino}}}=\frac{(1+\mathrm{\Γ})(1-\mathrm{\Γ})T}{1-T^2\·{\mathrm{\Γ}}^2}=\frac{(1-{\mathrm{\Γ}}^2)T}{1-T^2\·{\mathrm{\Γ}}^2}---\left(6\right)$

$S_{11}=\frac{V_A}{V_{\mathrm{ino}}}=\frac{(1-T^2)\mathrm{\Γ}}{1-T^2\·{\mathrm{\Γ}}^2}---\left(7\right)$

将步骤2的两个S参数表示成

V₁＝S₂₁+S₁₁    (8)

V₂＝S₂₁-S₁₁    (9)

$X=\frac{1-V_1{V}_2}{V_1-V_2}---\left(10\right)$

此时，被测材料端面处的反射系数可以通过散射参数得到：

$\mathrm{\Γ}=X\±\sqrt{X^2-1}---\left(11\right)$

可以近似得知反射系数的模值是小于等于1的。并且：

$T=\frac{V_1-\mathrm{\Γ}}{1-V_1\mathrm{\Γ}}---\left(12\right)$

从(4)式可推出有关电磁参数的方程式：

$\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}={\left(\frac{1+\mathrm{\Γ}}{1-\mathrm{\Γ}}\right)}^2=c_1---\left(13\right)$

从(5)式可推出有关电磁参数的方程式：

${\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r=-{\left\{\frac{c}{\mathrm{wd}}\ln \left(\frac{1}{T}\right)\right\}}^2=c_2---\left(14\right)$

通过上述两个式子可以推出复介电常数和复导磁率的方程：

${\mathrm{\μ}}_r=\sqrt{c_1{c}_2}---\left(15\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_r=\sqrt{\frac{c_2}{c_1}}---\left(16\right)$

二、利用带状线(slabline)测试微波材料屏蔽性能的具体步骤是：

步骤1：选定测试频率，用SOLT方法对矢量网络分析仪进行校准。

步骤2：将组装好的带状线与矢量网络分析仪连接，并记录此时的

步骤3：将被测材料紧贴带状线(slabline)的内导体一周，并记录

通过前面的步骤算即可算出被测材料的屏蔽性能，

Claims (3)

1.一种用于微波材料电磁参数及屏蔽性能的带状线测试方法，包括带状线(slabline)(1)、带状线到同轴的过渡段(2)、APC-7连接器(3)、支撑座(4)、矢量网络分析仪(5)，聚四氟乙烯块(14)；所述带状线(slabline)(1)由外导体(11)、(12)和内导体(13)构成；所述外导体(11)、(12)由硬铝或黄铜制作，所述内导体(13)由黄铜制作；外导体(11)、(12)之间放置待测样品；所述带状线到同轴的过渡段(2)由边板(21)、(22)、介质(23)、(24)构成；所述边板(21)、(22)与外导体(11)、(12)采用同一种材料制作；所述介质(23)、(24)由白色聚四氟乙烯制作，与内导体(13)共轴线；所述支撑座(4)由支撑脚(41)、(42)、(43)、(44)和底板(45)构成；支撑座(4)由硬铝或45#钢制作；所述内导体(13)中间段为圆柱形，两端成锥形并开有连接孔，与介质(23)、(24)以及边板(21)、(22)的锥形孔共轴线，并紧密配合形成带状线到同轴的过渡段；所述外导体(11)、(12)固定在边板(21)、(22)；所述边板(21)、(22)固定在支撑座(4)上面；APC-7连接器固定在边板(21)、(22)的另一面；APC-7连接器的内导体插入内导体(13)的连接孔中，紧密配合；APC-7接头经电缆与矢量网络分析仪(5)连接。

2.根据权利要求1所述的用于材料电磁参数及屏蔽性能测试的系统，其特征在于，所述带状线(slabline)(1)上载有微波被测材料，并通过带状线到同轴的过渡段(2)与APC-7连接器(3)、矢量网络分析仪(5)进行连接，用于被测材料电磁参数及屏蔽性能的测试。

3.根据权利要求1所述的用于微波材料电磁参数及屏蔽性能的带状线测试方法，其特征在于，所述方法可以实现宽频带测试，频率范围10MHz～18GHz，并且加载样品方便。