CN105388442B

CN105388442B - 一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法

Info

Publication number: CN105388442B
Application number: CN201510939834.3A
Authority: CN
Inventors: 胡大海; 赵锐; 杜刘革; 王亚海
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CLP Kesiyi Technology Co Ltd
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: CN105388442A

Abstract

本发明公开了一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法，其包括如下步骤：(1)矢量网络分析仪全双端口校准；(2)连接并调节天线，进行直通校准；(3)放置金属短路板，进行左端短路校准；(4)移动金属短路板，进行右端短路校准；(5)计算误差项；(6)放置待测材料；(7)完成校准，得到待测材料的实际S参数。本发明具有如下优点：(1)操作简单易行，校准过程中只需移动一下短路板，不需要移动天线，因此引入人为误差更小；(2)校准件简单易于制作，只需要一块金属板；(3)无需时域变换及加时域门，因此，对测量频段和频点没有要求；(4)可适用于微波毫米波各个频段的自由空间法材料测试。

Description

一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法。

背景技术

微波介质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。介质材料的电磁参数是指材料的复介电常数和复磁导率，它们表征了材料与电磁场的相互作用。电磁参数测试随着介质材料的广泛应用具有越来越重要的意义。自由空间法作为典型的材料介电常数测试方法，与其他方法相比具有测试方便、可进行宽带测量、适用于电特性和磁性符合材料无损测试等优点。自由空间法测量系统模型如图1所示，其误差主要包括以下几项：(1)发射天线和接收天线焦点处的平面波近似所引起的误差；(2)电磁波在样品边缘的绕射效应所引起的误差；(3)电磁波在天线间的多次反射产生的误差；(4)模式转换器引起的多次反射产生的误差；(5)测量端口参考面的位置误差。其中，多次反射产生的误差可采用适量网络分析仪分析以内部的直通、反射、传输(TRL)校准技术及时域选通技术予以消除。

二端口网络校准是进行自由空间法测试的前提，是材料测试成败的关键，决定最终的测试精度。传统的校准方法有直通反射传输(TRL)校准方法、基于时域门的GRL校准方法和变短路板厚度法三种。直通反射传输(TRL)校准方法，其中传输校准这一步骤需要在两校准端口间插入一求段已知的传输线，在实际操作中一般通过移动收/发天线达到此目的，因而对要精密的机械夹具，在毫米波段波长较小对测试系统精度要求更高；基于时域门的GRL校准方法，该方法避免了天线的移动，但必须在一定频段内包含足够的测试点数才能够进行时域处理，而且时域门的位置和宽度均会影响校准结果，各个频段范围内时域门参数也不是完全一样；变短路板厚度法，该方法需要测试三次，分别是直通、厚度d1的金属短路板、厚度d2的金属短路板，两块金属板的厚度不同，根据三次测试得到与误差项有关的方程组求解即可得各项误差参数。避免了天线移动和添加时域门，唯一缺点是需要两块不同厚度的金属短路板。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于可移动短路板的自由空间校准方法，利用该校准方法可以有效的完成自由空间法校准，操作简单方便。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法，包括如下步骤：

a在发射天线和接收天线未连接的情况下，利用矢量网络分析仪本身的SOLT校准方法对其进行全双端口校准，建立误差项模型；其中，

设E_D1、E_D2为方向性误差，E_x1、E_x2为隔离度误差，E_S1、E_S2为源失配误差，E_T1、E_T2、E_R1、E_R2为传输及反射跟踪误差，且满足条件E_T1＝E_R1、E_T2＝E_R2、E_X1＝E_X2；

b连接收发天线，使收发天线位于同一轴线上，调节二者之间的距离，使它们的焦点相距为d，设S₁₂＝S₂₁＝e^-jkd＝A，利用矢量网络分析仪测得S参数为则有：

c将厚度为d1的标准金属短路板的左端紧贴左边天线的焦点，短路板与水平面成90度，d1<d，设S₂₂＝e^-2jk(d-d1)＝A_d1，利用矢量网络分析仪测得S参数为则有：

d将厚度为d1的标准金属短路板的右端紧贴右边天线的焦点，短路板与水平面成90度，d1<d，设S₁₁＝e^-2jk(d-d1)＝A_d2，利用矢量网络分析仪测得S参数为则有：

e将步骤b、c、d中的测量结果代入方程式(1)～(8)中的7个，解方程组计算所有误差项；

f将待测材料放置在收发天线焦点之间，与水平面成90度，利用矢量网络分析仪读出当前测试结果S_11M、S_22M、S_12M、S_21M；

g把步骤e的计算结果及步骤f的测试结果代入公式(9)～(13)中，则有：

其中，

通过上述公式(9)～(13)即可得到待测材料实际的S参数S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₁。

本发明具有如下优点：

(1)操作简单易行，校准过程中只需移动一下短路板，不需要移动天线，因此引入人为误差更小；(2)校准件简单易于制作，只需要一块金属板；(3)无需时域变换及加时域门，因此对测量频段和频点没有要求；(4)可适用于微波毫米波各个频段的自由空间法材料测试。

附图说明

图1为现有技术中自由空间法测量系统模型示意图；

图2为本发明中一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法的流程示意图；

图3为本发明中误差校准模型示意图；

图4为本发明中直通校准示意图；

图5为本发明中左端短路校准示意图；

图6为本发明中左端短路校准等效信号流图；

图7为本发明中右端短路校准示意图；

图8为本发明中右端短路校准等效信号流图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法，其包括如下步骤：

(1)矢量网络分析仪全双端口校准

在未连接收发天线的情况下，首先对矢量网络分析仪进行全双端口校准，校准后系统误差仅为自由空间误差源，建立误差项模型，如图3所示，与传统的误差模型相比，加入了隔离度误差，共10项误差。设E_D1、E_D2为方向性误差，E_x1、E_x2为隔离度误差，E_S1、E_S2为源失配误差，E_T1、E_T2、E_R1、E_R2为传输及反射跟踪误差，且满足条件E_T1＝E_R1、E_T2＝E_R2、E_X1＝E_X2，可见系统中仅有7项未知项，只需通过校准获得这7个误差项即可。

(2)连接并调节天线，进行直通校准

设测试夹具厚度为d，如图4所示，直通测量时，信号相当于通过厚度为d的空气，所以S₁₁＝S₂₂＝0，S₁₂＝S₂₁＝e^-jkd＝A，其中k为自由空间测试频率对应的波数，利用矢量网络分析仪测得4个S参数根据信号流图及梅森公式推导可得：

(3)放置金属短路板，进行左端短路校准

将厚度为d1的标准金属短路板的左端紧贴左边天线的焦点(靠近一端口)，d1<d，短路板与水平面成90度，如图5所示，可见S₁₁＝-1，S₂₁＝S₁₂＝0，其左端信号流图如图6所示；

根据自由空间电磁波传播原理S₂₂＝e^-2jk(d-d1)＝A_d1，设矢量网络分析仪测量结果为则有：

(4)移动金属短路板，进行右端短路校准

将厚度为d1的标准金属短路板右端紧贴右边天线的焦点(靠近二端口)，d1<d，短路板与水平面成90度，如图7所示，可见S₁₁＝-1，S₂₁＝S₁₂＝0，其右端信号流图如图8所示；

根据自由空间电磁波传播原理S₁₁＝e^-2jk(d-d1)＝A_d2，设矢量网络分析仪测量结果为则有：

(5)计算误差项

以上有8个方程组，但仅有7个未知量，选择其中7个方程即可求解所有误差项E_T1、E_T2、E_R1、E_R2、E_D1、E_D2、E_S1、E_X1、E_X2。

(6)放置待测材料

将待测材料放置在收发天线焦点之间，与水平面成90度，利用矢量网络分析仪读出当前测试结果S_11M、S_22M、S_12M、S_21M；

(7)完成校准，得到待测材料的实际S参数

真实值(S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₁)与测量值(S_11M、S_22M、S_12M、S_21M)之间的关系式，如下：

其中，

把步骤(5)的计算结果及步骤(6)的测试结果代入公式(9)～(13)中，即可得待测材料实际的S参数S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₁，可以用来计算材料的介电常数了。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims

1.一种基于可移动短路板的自由空间法校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

b连接收发天线，使收发天线位于同一轴线上，调节二者之间的距离，使它们的焦点相距为d，设S₁₂＝S₂₁＝e^-jkd＝A，其中，k为自由空间测试频率对应的波数，利用矢量网络分析仪测得S参数为则有：

<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>21</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mn>21</mn> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>X</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 1

其中，