CN105954302A - 一种近场吸波材料反射率的测试装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近场吸波材料反射率的测试装置，包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过同轴电缆与同轴法兰夹具连接，同轴法兰夹具置于支架上，同轴法兰夹具顶部设有隔离板，隔离板与同轴法兰夹具之间为样品放置部。本发明还公开了一种近场吸波材料反射率的测试装置的测试方法。本发明具有结构简单、造价便宜、可以实现低频段(30MHz‑3GHz)测量、操作简便、准确度高及重复性好等特点。

Description

一种近场吸波材料反射率的测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及材料测试技术，具体来说是一种近场吸波材料反射率的测试装置及其测试方法。
背景技术
吸波材料是一类能够将电磁能转化成热能或其他形式能量的功能材料，其最早应用于军事领域，如隐形战机、隐身装备等。近年来，随着电子信息技术的飞速发展，电子产品朝着微型化、集成化、功能化方向发展，随之而来的电磁干扰和电磁辐射污染问题也越来越突出。民用吸波材料(如薄片、薄膜类)可以在一定程度上解决上述问题，市场需求量越来越大。
吸波材料在军事和民品方面均有重要的应用，如何准确衡量吸波材料的吸收性能是吸波材料研究的基础和关键。评价吸波材料性能优劣的最为关键指标是反射率，其反映了材料对入射电磁波的损耗能力。目前，测量反射率的常用方法包括：弓形法，远场RCS法，样板空间平移法等，其中，弓形法应用的最为普遍。
弓形法测试原理，大体过程如下：首先在未放置吸波材料样品之前对整个系统进行校准归零，然后将平面型吸波材料样品放置在全反射金属板上面，由矢量网络分析仪的一个端口发出电磁信号，经由线缆传送至喇叭天线处，再由喇叭天线向样品发射电磁信号，电磁波穿透样品后，在全反射金属板表面实现全反射，反射后的电磁波再次穿透吸波材料样品后进入喇叭天线中，再经由线缆传回至矢量网络分析仪中。计算接收和发射电磁信号功率的比值，再经转化获得反射率。
弓形法是使用最为普遍的反射率测试方法，主要用于远场雷达吸波材料的性能评价，GJB2038-2011等标准对这种测试方法进行了规范。然而，弓形法也存在这自身的缺点和局限性：1.弓形法测试属于自由空间法的一种，为了避免外界电磁波对测试产生干扰，需要在标准的微波暗室中进行测试，微波暗室中需安放大量的吸波材料以消除外界的电磁波。因此，弓形法测试需要的成本较高。2.发射天线和接收天线与样品表面的角度理论上要求相同，但在实际测试的过程中，很难精确定位，最终导致测量误差较大。3.弓形法主要用于远场雷达吸波材料性能的测试，更加适合军工领域，如测试隐身涂层，结构型隐身材料等，而对于近场吸波材料(如电子设备中使用的吸波薄片材料)并不适用，主要由于这类材料通常贴附在元器件的表面，使用环境与弓形法测试条件相差较大。4.根据弓形法测试要求，接收和发射天线之间经由材料反射路径的距离R应满足：其中：D为喇叭天线口径的最大尺寸，λmin为测试最高频率对应的波长。测试频率越低，要求喇叭天线的口径越大，最终导致R越大。因此，当测试频率越低，需要的微波暗室空间越大。而在实际测试的过程中，由于受到场地和成本的限制，微波暗室很难做到非常大。一般弓形法测试频率在1GHz以上，通常无法对材料在1GHz以下频段的反射率进行测试。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构简单、造价便宜、可以实现低频段(30MHz-3GHz)测量、操作简便、准确度高及重复性好的近场吸波材料反射率的测试装置。
本发明另一目的在于提供一种近场吸波材料反射率的测试装置的测试方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种近场吸波材料反射率的测试装置，包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过同轴电缆与同轴法兰夹具连接，同轴法兰夹具置于支架上，同轴法兰夹具顶部设有隔离板，隔离板与同轴法兰夹具之间为样品放置部。
所述矢量网络分析仪包括一个以上端口。
所述同轴法兰夹具包括夹具本体，夹具本体呈圆柱“T”形结构，夹具本体中间为内导体，内导体四周为中空结构。
所述内导体为下细上粗结构。
所述支架中间设有通孔，夹具本体下部穿过通孔固定。
所述隔离板四周为下延伸部，下延伸部与夹具本体顶部靠接。
所述隔离板为圆环结构，隔离板的内径比同轴法兰夹具顶部直径大0.5～2mm。
所述下延伸部的高度比隔离板整体高度小5mm以上。
上述的近场吸波材料反射率的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)、矢量网络分析仪开启；
(2)、测量开始前，对矢量网络分析仪进行校准，将矢量网络分析仪端口与测量电缆相连，用矢量网络分析仪校准件对其进行单端口校准；
(3)、连接矢量网络分析仪与同轴法兰夹具，设置测试频段、测量点数、中频带宽、输出功率参数，在没有放入试样的情况下，对整个系统进行校准归零；
(4)、将样品放入样品放置部，由矢量网络分析仪的一个端口发射电磁波信号，经由同轴电缆、同轴法兰夹具传输至样品处，电磁波穿透样品后在隔离板的作用下实现全反射，被反射回来的电磁波再次穿透样品，最后经由同轴法兰夹具和同轴电缆返回至发射端口处，计算接收和发射电磁波信号功率的比值，即测试S11或S22参数，将单位转化成dB，即测得样品的反射率。
所述步骤(1)中矢量网络分析仪开启余热30分钟以上，其频率范围至少包含30MHz-3GHz；所述步骤(3)中同轴法兰夹具为黄铜制成或表面镀金、镀铜处理；隔离板为黄铜制成或表面镀金、镀铜处理，隔离板下延伸部的高度比隔离板整体高度小5mm以上。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过同轴电缆与同轴法兰夹具连接，同轴法兰夹具置于支架上，同轴法兰夹具顶部设有隔离板，隔离板与同轴法兰夹具之间为样品放置部，具有结构简单、造价便宜、可以实现低频段(30MHz-3GHz)测量、操作简便、准确度高及重复性好等特点。
2、本发明中的同轴法兰夹具包括夹具本体，夹具本体呈圆柱“T”形结构，夹具本体中间为内导体，内导体四周为中空结构；特殊的设计和隔离板相配合，准确性及实用性好。
3、本发明中的隔离板为圆环结构，隔离板的内径比同轴法兰夹具顶部直径大0.5～2mm；便于测试，测试效果好。
4、本发明中的成本低廉，测试条件要求低。测试无需在微波暗室中进行，大大降低了系统的搭建成本。同时系统占用空间小，无需大的场地进行测试。
5、本发明的装置构造简单，操作便捷。弓形法测试系统中需要较为复杂、较多的装置及部件，如矢量网络分析仪，射频电缆，弓形架，样品台，喇叭天线(多个)，微波暗室，吸波锥体，铁氧体板，驱动电机装置等，而同轴法兰隔离板法仅需矢量网络分析仪，射频电缆，同轴法兰夹具，及隔离板，构造非常简单。此外，在利用弓形法进行测试的过程中，需要在微波暗室中更换样品，操作不便；而采用同轴法兰隔离板法测试，仅需取下隔离板，即可完成样品的更换，操作更加简单。
6、本发明测试频段更低，适合于近场吸波材料的测试。传统的弓形法主要适用于远场雷达吸波材料的测试，如雷达隐身涂层等，而无法对近场吸波材料进行精确评价。同时受到场地和成本的限制，弓形法的测试频段通常在1GHz以上。而同轴法兰隔离板法可以测试30MHz-3GHz频段内的反射率，适用于近场吸波材料的测试，如电子设备用柔性吸波贴片材料等，更加适合于民用吸波材料性能的评价。
7、本发明准确度高，重复性好。弓形法测试系统需要多个组件的精确搭配，然而在实际的过程中许多偏差避免不了，如喇叭天线与样品之间的角度很难精确定位，电磁波在长的射频电缆中的损耗，非标准暗室中的杂波干扰，多个(至少4个)转接头引起的损耗等。同时导致系统的重复性差，一般不确定度会超过10％。而本发明提供的测试方法简单，组件较少，射频电缆非常短，转接头较少(2)，引起测试误差的因素少，因此准确度更高，重复性更好，不确定度可以控制在10％以内。
附图说明
图1为一种近场吸波材料反射率的测试装置的结构示意图；
图2为本发明中同轴法兰夹具的剖视结构示意图；
图3为本发明中隔离板的剖视结构示意图。
图中标号与名称如下：
1 矢量网络分析仪 2 同轴电缆
3 同轴法兰夹具 4 支架
5 隔离板 6 样品放置部
7 夹具本体 8 内导体
9 下延伸部
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1～3所示，一种近场吸波材料反射率的测试装置，包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过同轴电缆与同轴法兰夹具连接，同轴法兰夹具置于支架上，同轴法兰夹具顶部设有隔离板，隔离板与同轴法兰夹具之间为样品放置部。
本实施例中的矢量网络分析仪为两个端口；同轴法兰夹具包括夹具本体，夹具本体呈圆柱“T”形结构，夹具本体中间为内导体，内导体四周为中空结构；内导体为下细上粗结构。
本实施例中的支架中间设有通孔，夹具本体下部穿过通孔固定；隔离板四周为下延伸部，下延伸部与夹具本体顶部靠接；隔离板为圆环结构，隔离板的内径比同轴法兰夹具顶部直径大0.5～2mm；下延伸部的高度比隔离板整体高度小5mm以上。隔离板材质要求具有低的表面电阻率，采用黄铜或者镀金材料，镀层厚度不小于1mm，表面光滑无划痕，尺寸要求：
D0+0.5mm≤D2≤D0+2mm
D1≥D2+10mm
h2≥20mm
h1≥h2+5mm。
样品要求厚度≤10mm，表明平整，厚度均匀。
为了保证测量准确性，技术参数要求：测试系统在所测试频段内电压驻波比需＜2；测试系统插入损耗需＜0.5dB。
上述的近场吸波材料反射率的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)、矢量网络分析仪开启；
(2)、测量开始前，对矢量网络分析仪进行校准，将矢量网络分析仪端口与测量电缆相连，用矢量网络分析仪校准件对其进行单端口校准；
(3)、连接矢量网络分析仪与同轴法兰夹具，设置测试频段、测量点数、中频带宽、输出功率参数，在没有放入试样的情况下，对整个系统进行校准归零；
(4)、将样品放入样品放置部，由矢量网络分析仪的一个端口发射电磁波信号，经由同轴电缆、同轴法兰夹具传输至样品处，电磁波穿透吸波材料后在隔离板的作用下实现全反射，被反射回来的电磁波再次穿透吸波材料，最后经由同轴法兰夹具和同轴电缆返回至发射端口处，计算接收和发射电磁波信号功率的比值，即测试S11或S22参数，将单位转化成dB，即测得吸波材料的反射率。
所述步骤(1)中矢量网络分析仪开启余热30分钟以上，其频率范围至少包含30MHz-3GHz；所述步骤(3)中同轴法兰夹具为黄铜制成或表面镀金、镀铜处理；隔离板为黄铜制成或表面镀金、镀铜处理，隔离板下延伸部的高度比隔离板整体高度小5mm以上。
实施例2：
选用矢量网络分析仪Keysight N5232A，频率范围300kHz—20GHz，包含两个端口，选用鼎容电子DR-S01屏蔽效能测试装置(符合GB/T 25471-2010标准)的法兰装置的下半部分改装为同轴法兰夹具，D0＝133mm，隔离板材质为黄铜，表面光滑无划痕，具体尺寸为：
D2＝134mm
D1＝154mm
h2＝25mm
h1＝35mm
经检测，系统在30MHz-3GHz范围内电压驻波比小于1.8，插入损耗小于0.3dB，待测样品为高分子材料与软磁合金粉复合而成柔性吸波薄片材料，厚度为0.5±0.02mm，材质均匀，表明平整。
利用该系统对材料反射率测量，测量频率范围为30MHz—3GHz，样品测试5次，每次测量分别采集样品在30MHz，0.5GHz，1GHz，2GHz，3GHz频点上的反射率RLi(单位：dB)，其中i为次数,计算5次测量样品在同一频点上的反射率的平均值RLa，最大偏差值为︱RLi-RLa︳中的最大值，而最大偏离度为最大偏差值/︳RLa︱。测试结果如表1所示。由表1可以看出，测量的最大偏差值仅为0.16dB，最大偏离度仅为6.9％，显现出良好的重复性。
表1实施例2磁片反射率测试数据
实施例3：
选用矢量网络分析仪Keysight N5232A，频率范围300kHz—20GHz，包含两个端口，选用鼎容电子DR-S01屏蔽效能测试装置(符合GB/T 25471-2010标准)的法兰装置的下半部分改装为同轴法兰夹具，D0＝133mm，隔离板材质为黄铜，表明镀金，镀层厚度为1.5mm，表面光滑无划痕，具体尺寸为：
D2＝133.5mm
D1＝143.5mm
h2＝20mm
h1＝25mm
经检测，系统在30MHz-3GHz范围内电压驻波比小于1.8，插入损耗小于0.3dB，待测样品为高分子材料与软磁合金粉复合而成柔性吸波薄片材料，厚度为0.5±0.02mm，材质均匀，表明平整。
利用该系统对材料反射率测量，测量频率范围为30MHz—3GHz，样品测试5次，每次测量分别采集样品在30MHz，0.5GHz，1GHz，2GHz，3GHz频点上的反射率RLi(单位：dB)，其中i为次数,计算5次测量样品在同一频点上的反射率的平均值RLa，最大偏差值为︱RLi-RLa︳中的最大值，而最大偏离度为最大偏差值/︳RLa︱。测试结果如表2所示。由表2可以看出，测量的最大偏差值仅为0.1dB，最大偏离度仅为7.3％，显现出良好的重复性。
表2实施例3磁片反射率测试数据
实施例4：
选用矢量网络分析仪Keysight N5232A，频率范围300kHz—20GHz，包含两个端口，选用鼎容电子DR-S01屏蔽效能测试装置(符合GB/T 25471-2010标准)的法兰装置的下半部分改装为同轴法兰夹具，D0＝133mm，隔离板材质为黄铜，表面光滑无划痕，具体尺寸为：
D2＝135mm
D1＝154mm
h2＝40mm
h1＝55mm
经检测，系统在30MHz-3GHz范围内电压驻波比小于2，插入损耗小于0.4dB，待测样品为高分子材料与软磁合金粉复合而成柔性吸波薄片材料，厚度为1±0.05mm，材质均匀，表明平整。
利用该系统对材料反射率测量，测量频率范围为30MHz—3GHz，样品测试5次，每次测量分别采集样品在30MHz，0.5GHz，1GHz，2GHz，3GHz频点上的反射率RLi(单位：dB)，其中i为次数,计算5次测量样品在同一频点上的反射率的平均值RLa，最大偏差值为︱RLi-RLa︳中的最大值，而最大偏离度为最大偏差值/︳RLa︱。测试结果如表3所示。由表3可以看出，测量的最大偏差值仅为0.17dB，最大偏离度仅为7.5％，显现出良好的重复性。
表3实施例4磁片反射率测试数据
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过同轴电缆与同轴法兰夹具连接，同轴法兰夹具置于支架上，同轴法兰夹具顶部设有隔离板，隔离板与同轴法兰夹具之间为样品放置部。
2.根据权利要求1所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述矢量网络分析仪包括一个以上端口。
3.根据权利要求1所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述同轴法兰夹具包括夹具本体，夹具本体呈圆柱“T”形结构，夹具本体中间为内导体，内导体四周为中空结构。
4.根据权利要求3所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述内导体为下细上粗结构。
5.根据权利要求4所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述支架中间设有通孔，夹具本体下部穿过通孔固定。
6.根据权利要求5所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述隔离板四周为下延伸部，下延伸部与夹具本体顶部靠接。
7.根据权利要求6所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述隔离板为圆环结构，隔离板的内径比同轴法兰夹具顶部直径大0.5～2mm。
8.根据权利要求7所述的近场吸波材料反射率的测试装置，其特征在于：所述下延伸部的高度比隔离板整体高度小5mm以上。
9.根据权利要求1～8任一项所述的近场吸波材料反射率的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、矢量网络分析仪开启；
(2)、测量开始前，对矢量网络分析仪进行校准，将矢量网络分析仪端口与测量电缆相连，用矢量网络分析仪校准件对其进行单端口校准；
(3)、连接矢量网络分析仪与同轴法兰夹具，设置测试频段、测量点数、中频带宽、输出功率参数，在没有放入试样的情况下，对整个系统进行校准归零；
(4)、将样品放入样品放置部，由矢量网络分析仪的一个端口发射电磁波信号，经由同轴电缆、同轴法兰夹具传输至样品处，电磁波穿透样品后在隔离板的作用下实现全反射，被反射回来的电磁波再次穿透样品，最后经由同轴法兰夹具和同轴电缆返回至发射端口处，计算接收和发射电磁波信号功率的比值，即测试S11或S22参数，将单位转化成dB，即测得样品的反射率。
10.根据权利要求9所述的近场吸波材料反射率的测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤(1)中矢量网络分析仪开启余热30分钟以上，其频率范围至少包含30MHz-3GHz；所述步骤(3)中同轴法兰夹具为黄铜制成或表面镀金、镀铜处理；隔离板为黄铜制成或表面镀金、镀铜处理，隔离板下延伸部的高度比隔离板整体高度小5mm以上。
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