CN104330643A - 一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法 - Google Patents

一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法 Download PDF

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来磊
滕玉龙
黄玉珲
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Abstract

本发明提供了一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,该方法通过对矢量网络分析仪测得的参数S11‘、S21’进行相位补偿,从而得到更加精确的参数S11、S21,通过利用传输/反射法,并通过所得到的补偿后的测量参数S11、S21,计算得到测试样品的复磁导率μr及复介电常数εr的值。同时,该方法根据传输/反射法测量电磁参数中会遇到模糊点的问题,采用数据判断模值的方法解决反射系数和传输系数的模糊点,保证求解定值,避免了由此引起的多值性问题。

Description

一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量材料电磁参数技术领域,特别涉及一种改进的测量材料电磁参数 的传输反射方法。
背景技术
[0002] 随着电子元器件向微型化、集成化、高频化方向发展,越来越多的电解质材料、薄 膜等新材料需要用介电常数、磁导率、损耗角正切等微波电磁参数来表征其性能。在微波电 路设计、射频吸波材料吸收性能的仿真计算和干扰抑制用磁性材料的研究等活动中,相对 复介电常数(% =eje"r)和相对复磁导率(ji!"r)的测量对于合理 的选择材料、设计器件往往至关重要,如果电磁参数测量存在较大的误差,会使得设计、仿 真的结果与实际结果存在很大的差别。
[0003]目前的测量电介质材料复介电常数方法有:自由空间法、谐振腔法以及传输/反 射法等。与其他测量方法相比,传输/反射法具有操作相对简单、可使用频率范围较广、简 单且精度高、对同轴和波导系统均适用等优点,因而得到了非常广泛的应用。传输/反射法 的测量原理如图1所示,在该方法中,待测材料样品被置于同轴线或矩形波导取样器中,通 过自动矢量网络分析仪(VectorNetworkAnalyzer,即VNA)测量样品区的散射参数,然后 通过散射方程反演出材料的复相对介电常数与复相对磁导率。
[0004] 但现有的传输/反射法测量电介质材料的负介电常数往往存在着多值性问题。多 值性问题是指在采用该方法时造成的复介电常数的求解出现无穷多个的问题。
[0005] 同时,现有的测量网络参数Sn、S21的误差较大,进而造成尺寸测量误差对电磁参 数计算的影响程度增大。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,以解决 现有的传输/反射方法测量电磁参数测量时存在参数测量存在一定的误差以及求解时存 在的多值性问题。
[0007] 为实现上述目的,本发明提供了一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方 法,包括以下步骤:
[0008]S1 :建立传输/反射法二端口网络测量模型;
[0009]S2 :测量得到上述模型的二端口网络参数Sn'、S21' ;
[0010]S3 :对所述参数Sn'、S21'进行相位修正得到修正后的参数Sn、S21 ;
[0011] S4:根据所述修正后的参数sn、s21计算所述二端口网络的反射系数r以及传输 系数T,并去除反射系数r以及传输系数T的模糊值,保证求解定值;
[0012]S5 :根据所述反射系数r以及传输系数T求解材料的电磁参数。
[0013] 较佳地,所述反射系数r以及传输系数T的计算公式为:
Figure CN104330643AD00041
o
[0016] 较佳地,步骤S3中所述去除反射系数r以及传输系数T的模糊值具体为:求解复 反射系数r的模值IrI,令IrK1,根据传输反射法r值公式,求解确定r值;
[0017] 求解传输系数T的模值ITI,令ITI< 1,根据传输反射法T值公式,求解确定 T值。
[0018] 较佳地,步骤S5中材料的电磁参数的求解公式为:
[0019] er =k(l-r)/[k0(l+r)]
[0020] ur =k(i+r)/[k0(i-r)],
[0021] 其中,h为测量材料的复磁导率,、为测量材料的复介电常数,
Figure CN104330643AD00042
为空气的复磁导率,%为空气的复介电常数,〇为测量 用电磁波的角频率。
[0022] 较佳地,所述二端口网络测量模型包括一测试样品,一测试夹具,所述测试样品置 于所述测试夹具内,所述测试样品的长度为d,所述测试夹具的长度为L,所述测试样品的 一端距离所述测试夹具的对应端端口距离为U。
[0023] 较佳地,所述参数Sn'、S21'通过一矢量网络分析仪测量得到,所述Sn'、S21'为所 述二端口网络参数的被测值。
[0024] 较佳地,所述步骤S3中的相位修正为消除U对测量结构的影响,具体为:
[0025] Sn =Sn'eJ4"fL1/c
[0026] s21 =S21,eJ4nf(L-L1)/c。
[0027] 本发明提供的一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法通过对测得的参 数Sn '、S21 '进行相位补偿,从而得到更加精确的参数Sn、S21,从而提高传输/反射法通过 参数Sn、S21所计算得到的测试样品的复磁导率iir及复介电常数L的值的精确度。此 夕卜,本发明方法中,根据传输/反射法测量电磁参数中会遇到模糊点的为题,采用数据判断 模值的方法解决模糊点,保证求解定值,避免了传输/反射法中出现的多值性问题。
附图说明
[0028] 图1为传输/反射法测量电磁参数的原理图;
[0029] 图2为本发明所提供的方法的流程图;
[0030] 图3为本发明实施例中同轴测试夹具装载测试样品示意图;
[0031] 图4为本发明实施例中波导测试夹具装载测试样品示意图;
[0032] 图5为本发明实施例补偿前后介电常数实部谱图的比对数据图。
具体实施方式
[0033] 为更好地说明本发明,兹以一优选实施例,并配合附图1至图4对本发明作详细说 明,具体如下:
[0034]如图2所示,本发明提供的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,包括以下 步骤:
[0035]S1:建立传输/反射法二端口网络测量模型。
[0036] 以同轴线为测试夹具时,测量模型如图3所示,其包括一测试样品,一测试夹具, 测试样品置于测试夹具内,测试样品的长度为d,测试样品的中心孔的半径为b(即同轴线 的内导体半径为b),所述测试夹具的长度为L,测试样品的一端距离所述测试夹具的对应 端端口距离为U。
[0037] 以波导为测试夹具时,测量模型如图4所示,其包括一测试样品,一测试夹具,测 试样品置于测试夹具内,测试样品的长度为d,所述测试夹具的长度为L,测试样品的一端 距离所述测试夹具的对应端端口距离为U。
[0038]S2:测量得到上述模型的二端口网络参数Sn'、S21'。
[0039] 参数Sn'、S21'通过一矢量网络分析仪测量,Sn'为所述测试夹具的与测试样品 对应端端口所在侧测得,即图3中U所在侧。
[0040]S3:对所述参数Sn'、S21'进行相位修正得到修正后的参数Sn、S21。
[0041] 相位修正为消除U对测量结构的影响。根据传输线理论,在分布参数电路中,线 上的电压和电流不仅随时间而变,而且随空间(即沿线位置)而变。根据传输线方程的解, 沿线的电压电流分布为:
[0042]V=AeYZ+Be_YZ
Figure CN104330643AD00051
L〇〇44」电V和电'侃丄定HA、h!是由终端负载特性决定的复常数;ZQ是特性阻抗,任 一点p的反射系数rp与终端负载系数r\的关系式
[0045] rp= rLe」Yl
[0046] 假设传输线是无耗的,则有
Figure CN104330643AD00052
[0050] 由上式可以看出,沿无耗线移动参考面位置时,反射系数模值不变,都等于终端负 载的反射系数模Ir\|,而沿线反射系数的相角则随1成线性变化关系。
[0051] 因此,按以下两式计算Sn、S21,以消除U对测量结构的影响:
[0052]Sn =Sn'eJ4l,fL1/c (1)
[0053]S21 =S21,eJ4nf(L-L1)/c (2)
[0054] 其中,电磁参数h和L的计算过程如下:
[0055]依据传输/反射法原理,有:
[0056] er =k(l-r)/[k0(l+r)] (3)
[0057] Ur=k(i+r)/[k0(i-r)] (4)
Figure CN104330643AD00061
[0060] 其中,为被测量材料的复磁导率,L为被测量材料的复介电常数,r为反射系 数,T为传输系数,
Figure CN104330643AD00062
,为空气的复磁导率,e。为空气的复介 电常数。•的计算过程均与Sn、S21有关。
[0061] 设中间变量乂广&…^^二&一^另一中间变量
Figure CN104330643AD00063
,则 有
Figure CN104330643AD00064
[0064] 在米用同轴线传输时,设两个中间变量Ci、C2,其中,
Figure CN104330643AD00065
[0067]其中,f为测量用电磁波的频率,d为测试样品的厚度,Q为真空中的光速,则有,
Figure CN104330643AD00066
[0070] 在进行波导线传输时,按式(13)求解填充试样的衰减量A:
Figure CN104330643AD00067
[0072]则有:
Figure CN104330643AD00071
[0075] 其中,A^为空气中的测试用电磁波的工作波长,\ =c/f,c为光速,f为测试 用电磁波频率,A。为截止波长,~和分别为测试样品的复相对介电常数和复相对磁导 率:er=er_jer",yr=yr_jyr"。
[0076]S4:根据所述修正后的参数sn、s21计算所述二端口网络的反射系数r以及传输 系数T,并去除反射系数r以及传输系数T的模糊值,保证求解定值。
[0077] 采用数据判断模值的方法解决模糊点,保证求解定值。
[0078] 数据判断模值的方法进一步包括:求解复反射系数r,具体为r的模值为 丨r|,根据式(7),令|r|<1,求解确定r值;
[0079] 求解传输系统T,具体为r的模值为ITI,根据式(8),令ITK1,求解确定 T值。
[0080]S5:根据所述反射系数r以及传输系数T求解材料的电磁参数。
[0081] 根据式(1)、⑵得到修正后的参数Sn、S21,再结合式(11)、(12)或(14)、(15),以 及经过步骤S4后可以求解确定的r值和T值,即可计算得到测试样品的电磁参数L和 这种方法可以使得用于计算电磁参数的测试参数Sn、S21更加接近真实值,计算结果更 精确,同时避免了避免传输/反射法的多值性问题。
[0082] 以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何 本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,对本发明所做的变形或替换,都应涵盖在 本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1. 一种改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在于,包括以下步骤: Si:建立传输/反射法二端口网络测量模型; 52 :测量得到上述模型的二端口网络参数Sn'、S21' ; 53 :对所述参数Sn'、S21'进行相位修正得到修正后的参数S n、S21 ; 54 :根据所述修正后的参数sn、S21计算所述二端口网络的反射系数r以及传输系数 T,并去除反射系数r以及传输系数T的模糊值,保证求解定值; S5:根据所述反射系数r以及传输系数T求解材料的电磁参数。
2. 根据权利要求1所述的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在于,所 述反射系数r以及传输系数T的计算公式为:
Figure CN104330643AC00021
O
3. 根据权利要求1或2所述的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在 于,步骤S3中所述去除反射系数r以及传输系数T的模糊值具体为: 求解复反射系数r的模值I r I,令I r I < 1,根据传输反射法r值公式,求解确 定r值; 求解传输系数T的模值I T I,令I T I < 1,根据传输反射法T值公式,求解确定T 值。
4. 根据权利要求3所述的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在于,步 骤S5中材料的电磁参数的求解公式为: er = k(i-r)/[k〇(i+r)] Ur = k(i+r)/[k〇(i-r)], 其中,^为测量材料的复磁导率,^为测量材料的复介电常数,
Figure CN104330643AC00022
为空气的复磁导率,^为空气的复介电常数,O为测量 用电磁波的角频率。
5. 根据权利要求1所述的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在于,所 述二端口网络测量模型包括一测试样品,一测试夹具,所述测试样品置于所述测试夹具内, 所述测试样品的长度为d,所述测试夹具的长度为L,所述测试样品的一端距离所述测试夹 具的对应端端口距离为U。
6. 根据权利要求5所述的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在于,所 述参数Sn'、S21'通过一矢量网络分析仪测量得到,所述Sn'、S 21'为所述二端口网络参数的 被测值。
7. 根据权利要求6所述的改进的测量材料电磁参数的传输/反射方法,其特征在于,所 述步骤S3中的相位修正为消除L1对测量结构的影响,具体为: O _ O J j4 TI fLl/c ^ll - ^ll eq - c J j4 Ti f (L-Ll)/c ^21 - ^21 6 〇
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