CN105974345A - 自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，通过对矢量网络分析仪进行校准后，测量常温及变温下接不同校准件时系统的反射参数，结合预设公式推导误差项，获得变温环境下通过待测材料并反射的实际反射参数；本发明通过建立变温环境分离误差项反射模型，获取了常温下天线传输/反射段系统误差项，修正了高温下空气传输段相位变化的影响，能够更为有效地进行自由空间终端短路法材料变温测试系统的校准，提高了变温环境下自由空间终端短路法的测试精度。

Description

自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法

技术领域

本发明属于材料复介电常数变温测试系统的校准技术领域，尤其涉及的是一种自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法。

背景技术

在航天航空、卫星通信、雷达导航、红外遥感等各个领域中经常会用到微波材料。高空中飞行的飞机、导弹、火箭、宇宙飞船等，由于在高速飞行状态下与大气之间的摩擦导致其表面微波材料的温度很高，分布也不尽相同，而微波材料在高温条件下的电磁参数呈非线性变化，这会对电磁波的传输产生很大影响。因此在高温环境下准确测试出微波材料的电磁参数对于设计高性能的耐高温微波材料至关重要。

微波介质材料的电磁参数主要包括复磁导率以及复介电常数，在常温条件下，这些参数都比较容易测出，而在高温环境下，不管是在测试系统的复杂性、综合性还是高集成性方面都要比常温条件下高得多。对于高温环境微波材料电磁参数的测试，常用的方法有传输/反射法、自由空间法、谐振法等，每种方法都有其不同的有缺点，其中自由空间法中的终端短路法具有测试简单易操作、系统误差少、加热方便等优点，适合于对微波材料的复介电常数进行变温测试。

如图1所示，自由空间终端短路材料测试系统主要测试仪器为矢量网络分析仪，其一端口通过微波电缆连接天线(常用点聚焦透镜天线)，天线焦平面处放置金属反射板，平板状待测材料置于金属反射板上，矢量网络分析仪可通过LAN总线由程控计算机进行数据采集与计算。

利用自由空间终端短路法进行材料复介电常数变温测试需获得材料在不同温度下的反射参数S₁₁，为了精确测量该参数，必须在进行测试之前对整体系统进行校准，即针对待测材料进行单端口网络校准，以尽可能多地减小系统误差，得到微波信号透过待测材料并由金属反射板反射的单端口网络的实际S₁₁参数，进而反演得到材料复介电常数。

对于单端口网络而言，网络的S₁₁参数是利用矢量网络分析仪进行测试的，仪器本身包含了很多无源器件和有源器件，而这些器件都不是理想的，因此会引入误差。同时在待测材料和矢量网络分析仪之间还有其他的微波器件，如天线、转接头等，这些器件也不是理想的，会对测试微波信号的幅度和相位产生影响，从而带来误差。另外随着测试温度的升高，待测材料和天线之间的空气传输段也随之升温，空气传输段的相位将发生变化，因此也会引入误差。单端口网络的误差源主要有源失配误差E_S、频率响应跟踪误差E_RT、方向性误差E_D以及由变温空气传输段的传输参数变化引起的误差。

基于自由空间终端短路法对材料进行复介电常数测试时，常用的单端口校准技术为SOL(Short-Open-Load)校准，包含短路、开路以及匹配负载三种校准件。其校准步骤为：

1、将金属反射板置于天线焦平面处，矢量网络分析仪进行短路反射测量；

2、将金属反射板从焦平面位置沿远离天线方向平移λ/4，λ为测试频段中心频率对应的自由空间波长，矢量网络分析仪进行开路反射测量；

3、将金属反射板从焦平面位置沿远离天线方向平移d，将厚度为d的吸波材料置于金属反射板上，矢量网络分析仪进行负载匹配测量。

完成校准后，矢量网络分析仪通过自带校准程序进行误差项计算，在进行材料测试时将通过计算得到待测材料端面处真实的S₁₁参数。如果测试环境(如温度)变化不大，SOL校准是比较稳定的。

然而，当进行变温测试时，由于无法在高温下使用吸波材料且高温金属反射板移动不便，因此高温下系统很难再利用SOL校准件进行实时校准。随着测试温度的升高，待测材料和矢量网络分析仪之间的天线传输/反射段和空气传输段也随之升温。天线传输/反射段一般设计有水冷循环结构且离发热体较远，故其升温量很小，可认为该段内的误差源随温度基本不变；而空气传输段由于靠近发热体故升温量较大，其信号传输相位将随温度发生变化。若仍用常温SOL校准数据推导待测材料端面处的S₁₁参数，则由此反演出的变温复介电常数将产生很大误差，因此现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有校准技术的不足，提供一种自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法。

本发明技术方案如下：

步骤1：不连接天线，对矢量网络分析仪进行单端口校准；

步骤2：连接天线和矢量网络分析仪，在所述天线焦平面处放置金属反射板，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口短路反射参数S₁₁，记为

步骤3：连接天线和矢量网络分析仪，将所述金属反射板从所述焦平面位置沿远离所述天线方向平移λ/4，λ为测试频段中心频率对应的自由空间波长，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口开路反射参数S₁₁，记为

步骤4：连接天线和矢量网络分析仪，将厚度为d的吸波材料放置于所述金属反射板上，将所述金属反射板从所述焦平面位置沿远离所述天线方向平移d，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口匹配反射参数S₁₁，记为

步骤5：利用公式计算天线传输/反射段误差源的误差项E_D和E_S， 其中E_D为方向性误差，E_S为源失配误差；

步骤6：将所述金属反射板置于焦平面处并进行加热，利用矢量网络分析仪测得所需温度点下单端口短路变温反射参数S₁₁，记为

步骤7：利用公式计算其中E_RT为频率响应跟踪误差，为变温空气传输段的传输参数，e为自然常数，j为虚数单位，k为自由空间中波数，l_变温为空气传输段在变温条件下的等效长度；

步骤8：将所述金属反射板置于焦平面处，紧贴金属反射板上侧放置待测材料并进行加热，利用矢量网络分析仪测得步骤6所述所需温度点下单端口变温反射参数S₁₁，记为S_11M；

步骤9：利用公式计算通过待测材料并反射的实际变温反射参数S_11A，完成校准，

作为优选方式，所述步骤2、所述步骤3及所述步骤4的先后顺序为任意。

作为优选方式，所述步骤2中，其中，为常温空气传输段的传输参数，l_常温为空气传输段在常温条件下的等效长度。

作为优选方式，所述步骤3中，

作为优选方式，所述步骤4中，

本发明的有益效果为：本发明采用上述方案，建立了变温环境分离误差项反射模型，获取了常温天线传输/反射段系统误差项，修正了高温下空气传输段相位变化的影响。本发明能够更为有效地进行自由空间终端短路法材料变温测试系统的校准，提高了变温环境下自由空间终端短路法的测试精度。

附图说明

图1为自由空间终端短路法材料测试系统配置图。

图2为本发明自由空间终端短路法材料测试系统变温误差模型示意图。

图3为本发明常温终端短路测量示意图。

图4为本发明常温终端开路测量示意图。

图5为本发明常温终端匹配测量示意图。

图6为本发明变温终端短路测量示意图。

其中，1为矢量网络分析仪，2为程控计算机，3为微波电缆，4为天线，5为待测材料，6为金属反射板，7为吸波材料，8为温控仪，9为加热装置，11为矢量网络分析仪误差源，12为天线传输/反射段误差源，13为空气传输段误差源，14为待测材料实际反射参数。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例来说明本发明的实施方式。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容了解本发明的其他优点与功效。

图1为自由空间终端短路法材料测试系统配置图。如图1所示，自由空间终端短路法材料测试系统主要测试仪器为矢量网络分析仪1，其一端口通过微波电缆3连接天线4(常用点聚焦透镜天线)，天线焦平面处放置金属反射板6，平板状待测材料5置于金属反射板上，矢量网络分析仪可通过LAN总线由程控计算机2进行数据采集与计算。

本实施例公开了一种自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，由于在高温环境下系统很难利用SOL校准件进行实时校准，因此提出了将常温单端口SOL校准与变温短路频率响应校准相结合的方法，将系统误差分为矢量网络分析仪误差源11、天线传输/反射段误差源12及空气传输段误差源13，如图2所示。要得到通过待测材料并反射的实际反射参数14，先不连接天线，对矢量网络分析仪进行传统的单端口SOL校准。校准后系统误差仅为天线传输/反射段误差及变温空气传输段误差。

图2中，E_D为方向性误差，E_S为源失配误差，E_RT为频率响应跟踪误差，为变温空气传输段的传输参数，故系统中有4项误差。S_11A为通过待测材料并由金属板反射的实际反射参数，S_11M为矢量网络分析仪校准后测得的单端口变温反射参数。当S_11A分别取-1、1、0时所对应的系统终端状态分别为短路、开路、匹配。根据信号流图的Mason分解法则，可得到测试反射参数S_11M和实际反射参数S_11A及各误差项的关系，公式一：

$S_{11M}=E_D+\frac{S_{11A}{E}_{RT}{e}^{-2jkl}}{1-S_{11A}{E}_S}$

上述公式中，l根据测试温度的不同分别取l_变温和l_常温，而E_D，E_RT和E_S在常温及变温下取值相同。

常温下，在天线焦平面处放置足够大的金属反射板，如图3所示。以金属反射板上表面为校准参考面，其理想反射参数为-1，即S_11A＝-1，代入公式一，得到终端短路时测量值与误差项关系，公式二：

上述公式中，e为自然常数，j为虚数单位，k为自由空间中波数，l_常温为空气传输段在常温条件下的等效长度。

常温下，将金属反射板从焦平面位置沿远离天线方向平移λ/4，λ为测试频段中心频率对应的自由空间波长，如图4所示。此时校准参考面处理想反射参数为1，即S_11A＝1，代入公式一，得到终端开路时测量值与误差项关系，公式三：

常温下，将厚度为d的吸波材料7放置于金属反射板上，将金属反射板从焦平面位置沿远离天线方向平移d，如图5所示。此时校准参考面处理想反射参数为0，即S_11A＝0，代入公式一，得到终端匹配时测量值与误差项关系，公式四：

$S_{11M}^L=E_D$

由以上公式二、公式三和公式四可求得误差项E_D和E_S，表达式为，公式五：

$E_D=S_{11M}^L$

公式六：

$E_S=\frac{S_{11M}^S+S_{11M}^O-2S_{11M}^L}{S_{11M}^O-S_{11M}^S}$

将金属反射板置于焦平面处，由加热装置9对其进行加热，温控仪8可测量实时温度。加热过程中校准参考面理想反射参数恒为-1，即S_11A＝-1，代入公式一并由变温终端短路测量值公式五和公式六，可求得误差项表达式为公式七：

得到各误差项后，代入公式一可推导出材料变温测试时实际反射参数与测量反射参数之间的关系，表达式为，公式八：

$S_{11A}=\frac{(S_{11M}-S_{11M}^L)(S_{11M}^O-S_{11M}^S)}{2(S_{11M}^L-S_{11M}^{S-Temp})(S_{11M}^O-S_{11M}^L)+(S_{11M}-S_{11M}^L)(S_{11M}^S+S_{11M}^O-2S_{11M}^L)}$

根据以上公式即可通过测量数据S_11M得到实际S_11A参数，即完成校准。

利用本方法进行自由空间终端短路法材料测试系统高温校准的步骤如下：

步骤1：不连接天线，对矢量网络分析仪进行单端口校准；

步骤2：连接天线和矢量网络分析仪，在所述天线焦平面处放置金属反射板，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口短路反射参数S₁₁，记为所述步骤2中，其中，l_常温为空气传输段在常温条件下的等效长度。

步骤3：连接天线和矢量网络分析仪，将所述金属反射板从所述焦平面位置沿远离所述天线方向平移λ/4，λ为测试频段中心频率对应的自由空间波长，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口开路反射参数S₁₁，记为；所述步骤3中，

步骤4：连接天线和矢量网络分析仪，将厚度为d的吸波材料放置于所述金属反射板上，将所述金属反射板从所述焦平面位置沿远离所述天线方向平移d，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口匹配反射参数S₁₁，记为所述步骤4中，

步骤5：利用公式计算天线传输/反射段误差源的误差项E_D和E_S， 其中E_D为方向性误差，E_S为源失配误差；

步骤6：将所述金属反射板置于焦平面处并进行加热，利用矢量网络分析仪测得所需温度点下单端口短路变温反射参数S₁₁，记为

步骤7：利用公式计算其中E_RT为频率响应跟踪误差，为变温空气传输段的传输参数，e为自然常数，j为虚数单位，k为自由空间中波数，l_变温为空气传输段在变温条件下的等效长度；

步骤8：将所述金属反射板置于焦平面处，紧贴金属反射板上侧放置待测材料并进行加热，利用矢量网络分析仪测得步骤6所述所需温度点下单端口变温反射参数S₁₁，记为S_11M；

步骤9：利用公式计算通过待测材料并反射的实际变温反射参数S_11A，完成校准，

所述步骤2、所述步骤3及所述步骤4的先后顺序为任意。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：不连接天线，对矢量网络分析仪进行单端口校准；

步骤2：连接天线和矢量网络分析仪，在所述天线焦平面处放置金属反射板，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口短路反射参数S₁₁，记为

步骤3：连接天线和矢量网络分析仪，将所述金属反射板从所述焦平面位置沿远离所述天线方向平移λ/4，λ为测试频段中心频率对应的自由空间波长，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口开路反射参数S₁₁，记为

步骤4：连接天线和矢量网络分析仪，将厚度为d的吸波材料放置于所述金属反射板上，将所述金属反射板从所述焦平面位置沿远离所述天线方向平移d，利用矢量网络分析仪测得常温下单端口匹配反射参数S₁₁，记为

步骤5：利用公式计算天线传输/反射段误差源的误差项E_D和E_S， 其中E_D为方向性误差，E_S为源失配误差；

步骤6：将所述金属反射板置于焦平面处并进行加热，利用矢量网络分析仪测得所需温度点下单端口短路变温反射参数S₁₁，记为

步骤7：利用公式计算 其中E_RT为频率响应跟踪误差，为变温空气传输段的传输参数，e为自然常数，j为虚数单位，k为自由空间中波数，l_变温为空气传输段在变温条件下的等效长度；

步骤8：将所述金属反射板置于焦平面处，紧贴金属反射板上侧放置待测材料并进行加热，利用矢量网络分析仪测得步骤6所述所需温度点下单端口变温反射参数S₁₁，记为S_11M；

步骤9：利用公式计算通过待测材料并反射的实际变温反射参数S_11A，完成校准，

2.如权利要求1所述的自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，其特征在于：所述步骤2、所述步骤3及所述步骤4的先后顺序为任意。

3.如权利要求1所述的自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，其特征在于：所述步骤2中，其中，为常温空气传输段的传输参数，l_常温为空气传输段在常温条件下的等效长度。

4.如权利要求1所述的自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，其特征在于：所述步骤3中，

5.如权利要求1所述的自由空间终端短路法复介电常数测试系统高温校准方法，其特征在于：所述步骤4中，