CN106324360A - 用于介电参数的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于介电参数的测量系统，包括：开路端、转接头、偏置T型接头、直流电源、矢量网络分析仪以及计算终端；该开路端与该转接头的一端相接，该转接头的另一端与该偏置T型接头的第一端相接，该偏置T型接头的第二端与该矢量网络分析仪相接，该矢量网络分析仪与该计算终端相连，该偏置T型接头的第三端与该直流电源相接，该矢量网络分析仪在偏置电压下，分别测得对应入射波频率在该开路端与该转接头之间未夹持待测材料时的第一反射系数和夹持待测材料时的第二反射系数，该计算终端用于根据该第一反射系数和该第二反射系数获得在该偏置电压下该待测材料响应于该入射波频率的介电参数。

Description

用于介电参数的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及介电参数测量，尤其涉及用于材料在偏压条件下的介电参数的测量系统及测量方法。

背景技术

材料的电磁参数对于表征材料电磁特性有重要意义。为了有效地利用材料，对电磁参数的测量十分重要。研究发现，材料在经受偏压状态下电磁参数会发生变化，从而对材料的电磁特性产生重大影响，这为材料的未来应用提供了无限可能。因此，测量材料在偏压状态下的电磁参数具有及其重要的意义。

例如，吸波材料正是这样一种电磁参数随偏压明显变化的材料。吸波材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其衰减的一类复合材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它形式的能量从而达到减低电磁辐射目的。吸波材料可分为结构型和涂覆型，前者主要是尖劈形、泡沫形、平板形等，后者由粘结剂、吸收剂复合而成，吸波的能力主要与吸收剂种类有关，也就是性能取决于材料的电磁参数而非结构形状等几何参数。

现有技术的吸波材料主要采用单层或多层含铁氧体或铁粉的环氧树脂或硅橡胶复合材料制备，它具有吸收频率高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。为了增加吸波材料的工作带宽，调节材料的电磁参数实现实时可调节是一种解决方法。这可以在不改变吸波材料厚度和材质的调节下，根据入射波的频率，通过偏压来改变有效电磁参数，从而在频域移动吸收峰，达到改变展宽工作频带的目的。众所周知，改变磁导率需要高磁场和加载高电流的线圈，且只能在非常小的区域加载磁场；相比之下，电调介电参数就比较容易。

7mm同轴测量系统尽管可以在0.1GHz到18GHz测量材料的电磁参数，但是由于其内外导体都是与矢量网络分析仪相连，无法同时加载偏压并测量一定偏压下地介电参数。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于介电参数的测量系统，包括：开路端、转接头、偏置T型接头、直流电源、矢量网络分析仪以及计算终端；

该开路端与该转接头的一端相接，该转接头的另一端与该偏置T型接头的第一端相接，该偏置T型接头的第二端与该矢量网络分析仪相接，该矢量网络分析仪与该计算终端相连，该偏置T型接头的第三端与该直流电源相接，该直流电源提供的偏置电压通过该偏置T型接头施加至该转接头的内外导体之间，该矢量网络分析仪在该偏置电压下，分别测得对应入射波频率在该开路端与该转接头之间未夹持待测材料时的第一反射系数和夹持待测材料时的第二反射系数，该计算终端用于根据该第一反射系数和该第二反射系数获得在该偏置电压下该待测材料响应于该入射波频率的介电参数。

在一实例中，该直流电源适用于提供不同的偏置电压，以供该矢量网络分析仪测得不同偏置电压下对应该入射波频率的该第一反射系数和该第二反射系数，以使得该计算终端能够获得该待测材料在不同偏置电压下响应于该入射波频率的介电参数。

在一实例中，所该矢量网络分析仪还适用于在该偏置电压下，分别测得对应不同入射波频率在该开路端与该转接头之间未夹持该待测材料时的该第一反射系数和夹持该待测材料时的该第二反射系数，该计算终端根据该第一反射系数和该第二反射系数获得在该偏置电压下该待测材料响应于不同入射波频率的介电参数。

在一实例中，该偏置T型接头的该第二端具有隔绝直流的作用以阻止来自该第三端的偏置电压进入与该第二端相连的该矢量网络分析仪。

在一实例中，该开路端是7mm开路端，以及该转接头为7mm转3.5mm转接头。

在一实例中，该测量系统为同轴测量系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于介电参数的测量方法，包括：

将开路端与转接头的一端相接，将转接头的另一端与偏置T型接头的第一端相接，将该偏置T型接头的第二端与矢量网络分析仪相接，将矢量网络分析仪与计算终端相连，将该偏置T型接头的第三端与直流电源相接；

使用该直流电源经由该偏置T型接头向该转接头的内外导体之间施加偏置电压；

在该偏置电压下，使用该矢量网络分析仪测量对应入射波频率在该开路端与该转接头之间未夹持待测材料时的第一反射系数和夹持该待测材料的第二反射系数；以及

使用该计算终端根据该偏置电压下测得的对应该入射波频率的该第一反射系数和第二反射系数获得该待测材料在该偏置电压下响应于该入射波频率的介电参数。

在一实例中，该方法还包括：使用该直流电源经由该偏置T型接头向该转接头的内外导体之间施加不同的偏置电压；在所施加的不同偏置电压下，使用该矢量网络分析仪测量对应该入射波频率在该开路端与该转接头之间未夹持该待测材料时的该第一反射系数和夹持该待测材料时的该第二反射系数；以及使用该计算终端根据不同偏置电压下测得的对应该入射波频率的该第一反射系数和该第二反射系数获得该待测材料在不同偏置电压下响应于该入射波频率的介电参数。

在一实例中，该方法还包括：在该偏置电压下，使用该矢量网络分析仪测量对应不同入射波频率在该开路端与该转接头之间未夹持该待测材料时的该第一反射系数和夹持该待测材料时的该第二反射系数；以及使用该计算终端根据该偏置电压下测得的对应不同入射波频率的该第一反射系数和该第二反射系数获得该待测材料在该偏置电压下响应于不同入射波频率的介电参数。

在一实例中，该偏置T型接头的该第二端具有隔绝直流的作用以阻止来自该第三端的偏置电压进入与该第二端相连的该矢量网络分析仪。

在一实例中，使用的该开路端是7mm开路端，以及使用的该转接头为7mm转3.5mm转接头。

根据本发明的方案，解决了现有同轴测量系统无法同时加载偏压并测量该偏压下的介电参数的问题。对于某些材料，测量材料在偏压下的介电参数非常重要。以吸波材料为例，偏压对吸波材料的介电参数的影响至关重要，因为吸波材料的介电参数的调节涉及到吸波材料的吸波性能。因此，测量吸波材料在偏压下的介电参数具有重要意义。采用本发明的测量系统和方法，能够借助矢量网络分析仪方便地测量介电参数在偏压下的介电参数。在获得吸波材料在偏压下的介电参数数据之后，可以为后续吸波材料的宽频设计打下基础。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了根据本发明的一方面的用于测量可调吸波材料的介电参数的测量系统的框图；

图2是示出了根据本发明的一方面的用于测量可调吸波材料的介电参数的测量方法的流程图；以及

图3是示出了采用根据本发明的测量系统和方法测得的吸波材料的介电参数的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

对介质材料的介电参数的测量目前仅能通过间接方法进行，通常是建立在传输线理论、特性阻抗以及传播常数的基础之上，通过介电参数与实际测量值之间存在一定的函数关系，基于建立的数学模型，即可计算出材料的介电参数。常用的测量材料介电参数的方法例如有反射/传输法。

传输线法是早期用于测量介电参数的比较成熟的方法，原理是将各项同性的均由介质材料填充到传输线(同轴线或波导)内，通过测量加载介质样品前后传输线网络参数的变化来求解介电参数。后来利用传输线法借助矢量网络分析仪发展出了终端开路同轴线法，将同轴线的终端开路并紧贴待测样品，另一端连接矢量网络分析仪，测量加载样品前后反射系数的变化，由此推算出材料的介电参数。由此实线了介电参数的宽频带和非侵入测量。

目前7mm的同轴测量系统即采用了上述终端开路同轴线法，能够测量0.1GHz到18GHz介质材料的电磁参数。

对于吸波材料而言，为了工作带宽，调节材料的电磁参数是一种解决方法。由于磁导率的改变非常困难，因此，操作上一般通过向吸波材料施加偏置电压来调节介电参数，从而在频域移动吸收峰，达到改变展宽工作频带的目的。因此，测量吸波材料在偏压下的介电参数具有重要意义。

目前的7mm同轴测量系统由于其内外导体都是与矢量网络分析仪相连，所施加的直流偏压会沿着同轴线传回矢量网络分析仪，会损坏矢量网络分析仪内部的高频器件。因此，无法有效地测量偏压下吸波材料的介电参数。

本发明提供了一种能够同时加偏压并测量该偏压下的吸波材料的介电参数的测量系统和方法。

图1是示出了根据本发明的一方面的用于测量可调吸波材料的介电参数的测量系统100的框图。如图1所示，测量系统100可包括开路端101，转接头102，偏置T型接头(Bias Tee)103，矢量网络分析仪104、以及计算终端105。

实际测量时，可将开路端101连接到转接头102的一端，以使测量系统的终端开路，转接头102的另一端可连接至偏置T型接头103的第一端。偏置T型接头103的第二端可连接至矢量网络分析仪104，矢量网络分析仪104再连接至计算终端105。偏置T型接头103的第三端连接至直流电源106。

偏置T型接头103是一三端口器件，分别包括上述的第一端、第二端和第三端。从等效电路模型来看，偏置T型接头103的第二端可等效地具有电容器，从而仅允许AC信号，例如RF信号通过，因此也可被称为AC端；偏置T型接头103的第三端可等效地具有电感器，从而仅允许DC信号，例如直流电压通过，因此也可被称为DC端；偏置T型接头103的第一端既无等效电容也无等效电感，因此可允许AC和DC信号两者通过，从而也可称为AC+DC端。

在此配置下，直流电源106可通过偏置T型接头103的第三端输入一直流偏置电压，该直流偏置电压可通过偏置T型接头103的第一端被引入同轴测量系统，具体地，该偏置电压被施加到转接头102的外导体102a与内导体102b之间。

与此同时，矢量网络分析仪104可通过偏置T型接头103的第二端进行高频信号的通信。具体地，矢量网络分析仪104可输入特定频率的高频信号作为作为入射波并接收由传输线开路端反射回的信号，从而测量传输线的反射系数。矢量网络分析仪104可通过输入不同的入射波频率，从而获得不同频率下的反射系数。

特别地，直流电源106所施加的直流偏压由于偏置T型接头103的第二端的隔绝直流的作用，不会传递至矢量网络分析仪104，使得矢量网络分析仪104可以在偏压情况下进行测量。

这里的开路端101为同轴结构，包括外导体101a和内导体101b，相应地转接头102也为同轴结构，包括外导体102a和内导体102b。在开路端101和转接头102之间，可以夹持测量样品S，当转接头102的内外导体之间具有偏置电压时，该偏置电压可以同时施加至测量样品S。

这里的矢量网络分析仪104可以是例如安装了安捷伦85071E软件的矢量网络分析仪，可以测量反射系数。计算终端105可以是安装了能够从反射系数反推出材料的介电参数的软件模块的任何计算装置。直流电源106可以是能够提供直流电压的任何电压源，特别地直流电源106能够提供不同大小的偏置电压，从而能够测量吸波材料在不同的偏压下的介电参数。

根据基于传输线理论的终端开路同轴线法，可以测量在加载测量样品S和未加载测量样品S两种情况下的反射系数，由此反推出测量样品的介电参数。当然，反射系数是对应于特定的入射波测得的，通过测量在不同入射波频率下的反射系数，可以测量样品材料在不同频率下的介电参数。

这里的测量样品S可以是吸波材料薄片。为了测量在特定偏置电压下样品响应于特定入射波频率的介电参数，可以首先在未加载测量样品S的情况下，开路端101直接连接至转接头102，在直流电源106施加特定的偏置电压下，矢量网络分析仪104测量此时对应该入射波频率的反射系数。

在加载测量样品S的情况下，可将测量样品S夹在开路端101和转接头102之间。此时，开路端101的内外导体之间的偏置电压被施加至测量样品S，矢量网络分析仪104测量此时对应该入射波频率的反射系数。

矢量网络分析仪104在测得未加载和加载了测量样品S两种情况下的反射系数后，将反射系数输出直计算终端105，由后者计算出测量样品S在该偏置电压下对应该入射波频率的介电参数。由加载和未加载测量样品S情况下的反射系数反推介电参数是众所周知的过程，在此不再赘述，以免淡化本发明的实质。

基于上述原理，可以测量样品材料在任意偏置电压下响应于任意入射波频率的介电参数。

这里图1中所示的开路端101为7mm规格，即开路端的外导体101a的内径为7mm，而常用的高频电缆线的接头为3.5mm规格，相应地，这里的转接头102为7mm转3.5mm的转接头。采用7mm开路端101是因为，测量样品S有一定的尺寸要求，例如一般为直径13mm的圆形薄片，因此需要7mm的开路端101以夹持该测量样品S，如图1所示，7mm开路端101的外导体101a的外径为14.83mm，可以稳固地夹持13mm直径的吸波材料薄片。作为特定示例，这里的7mm开路端可以是APC-7接头。当然，随着测量样品S的尺寸的不同，可以采用不同规格的开路端101以及相应地转接头102。

图2是示出了根据本发明的一方面的用于测量可调吸波材料的介电参数的测量方法200的流程图。

如图2所示，方法200可包括连接测量系统(202)。

具体地，可将开路端与转接头的一端相接，将转接头的另一端与偏置T型接头的第一端相接，将偏置T型接头的第二端与矢量网络分析仪相接，将矢量网络分析仪与计算终端相连，将所述偏置T型接头的第三端与直流电源相接。

连接测量系统之后，提供偏置电压(204)。

视情况，若希望测量吸波材料在一偏置电压下的介电参数，则可以调节直流电源以提供该偏置电压。该直流偏压由于偏置T型接头第二端的隔直作用，不会传递至矢量网络分析仪。

施加偏压后，测量未夹持和有夹持测量样品情况下的反射系数(206)。

首先在开路端与转接头之间空载，即不夹持吸波材料薄片，直接使用矢量网络分析仪测量此时空载情况下对应一入射波频率的第一反射系数。然后，拧下开路端，在开路端与转接头之间夹持吸波材料薄片，再拧上开路端，再由矢量网络分析仪测量加载了测量样品后对应该入射波频率的第二反射系数。

测得反射系数后，根据测得的反射系数计算介电参数(208)。

矢量网络分析仪测得第一反射系数和第二反射系数之后，将反射系数输出直计算终端，由计算终端根据数学模型计算出吸波材料的介电参数。此第一反射系数和第二反射系数是在该偏压下对应该特定的入射波频率测得的，所以得到的该介电参数为该吸波材料在该偏压下响应于该入射波频率的介电参数。

为了测量吸波材料在不同的偏压情况下的介电参数，可以通过调节直流电源以提供不同的偏置电压来实现。具体而言，可使用直流电源经由所述偏置T型接头向转接头的内外导体之间施加一不同的偏置电压，在所施加的该不同偏置电压下，使用矢量网络分析仪测量对应该入射波频率在开路端与转接头之间未夹持和有夹持待测的可调吸波材料薄片的第一反射系数和第二反射系数，再由计算终端根据该不同偏置电压下测得的对应该入射波频率的该第一反射系数和该第二反射系数获得可调吸波材料薄片在该不同偏置电压下响应于该入射波频率的介电参数。

由于吸波材料在不同的频率下的电磁响应不同，吸波材料对不同频率的电磁波表现出的电磁参数也是不同的，因此，往往需要测得吸波材料在不同频率下的介电参数。

相应地，为了测量吸波材料在特定偏压下响应于不同入射波频率的介电参数，可以通过矢量网络分析仪输入不同的入射波从而测量传输线在不同入射波频率下的反射系数来测量。

具体而言，在特定的偏置电压下，可以使用矢量网络分析仪测量对应包括第一入射波频率、第二入射波频率、第三入射波频率等多个入射波频率在开路端与转接头之间未夹持和有夹持待测的可调吸波材料薄片的第一反射系数和第二反射系数，使用计算终端根据该偏置电压下测得的对应这些入射波频率的第一反射系数和第二反射系数获得可调吸波材料薄片在该偏置电压下响应于这些入射波频率的介电参数。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

图3是示出了采用根据本发明的测量系统和方法测得的吸波材料的介电参数的曲线图。如图3所示，图中横坐标是频率，纵坐标为吸波材料的介电参数的可调节度，即相对初始值的变化百分比。T1偏压和T2偏压曲线分别示出了吸波材料的介电参数实部和虚部在偏压情况下的可调节度，T1无偏压和T2无偏压曲线分别示出了吸波材料的介电参数实部和虚部在无偏压情况下的可调节度。

根据本发明的方案，解决了现有同轴测量系统无法同时加载偏压并测量该偏压下的介电参数的问题。对于吸波材料而言，偏压对吸波材料的介电参数的影响至关重要，因为吸波材料的介电参数的调节涉及到吸波材料的吸波性能。因此，测量吸波材料在偏压下的介电参数具有重要意义。采用本发明的测量系统和方法，能够借助矢量网络分析仪方便地测量介电参数在偏压下的介电参数。在获得吸波材料在偏压下的介电参数数据之后，可以为后续吸波材料的宽频设计打下基础。

上述内容是结合吸波材料来描述的，然而，本领域技术人员了解，本发明的测量方法和系统可用于任何材料在偏压条件下的介电参数的测量。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (11)

1.一种用于介电参数的测量系统，包括：开路端、转接头、偏置T型接头、直流电源、矢量网络分析仪以及计算终端；

所述开路端与所述转接头的一端相接，所述转接头的另一端与所述偏置T型接头的第一端相接，所述偏置T型接头的第二端与所述矢量网络分析仪相接，所述矢量网络分析仪与所述计算终端相连，所述偏置T型接头的第三端与所述直流电源相接，所述直流电源提供的偏置电压通过所述偏置T型接头施加至所述转接头的内外导体之间，所述矢量网络分析仪在所述偏置电压下，分别测得对应入射波频率在所述开路端与所述转接头之间未夹持待测材料时的第一反射系数和夹持待测材料时的第二反射系数，所述计算终端用于根据所述第一反射系数和所述第二反射系数获得在所述偏置电压下所述待测材料响应于所述入射波频率的介电参数。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述直流电源适用于提供不同的偏置电压，以供所述矢量网络分析仪测得不同偏置电压下对应所述入射波频率的所述第一反射系数和所述第二反射系数，以使得所述计算终端能够获得所述待测材料在不同偏置电压下响应于所述入射波频率的介电参数。

3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪还适用于在所述偏置电压下，分别测得对应不同入射波频率在所述开路端与所述转接头之间未夹持所述待测材料时的所述第一反射系数和夹持所述待测材料时的所述第二反射系数，所述计算终端根据所述第一反射系数和所述第二反射系数获得在所述偏置电压下所述待测材料响应于不同入射波频率的介电参数。

4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述偏置T型接头的所述第二端具有隔绝直流的作用以阻止来自所述第三端的偏置电压进入与所述第二端相连的所述矢量网络分析仪。

5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述开路端是7mm开路端，以及所述转接头为7mm转3.5mm转接头。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统为同轴测量系统。

7.一种用于介电参数的测量方法，包括：

将开路端与转接头的一端相接，将转接头的另一端与偏置T型接头的第一端相接，将所述偏置T型接头的第二端与矢量网络分析仪相接，将矢量网络分析仪与计算终端相连，将所述偏置T型接头的第三端与直流电源相接；

所述直流电源经由所述偏置T型接头向所述转接头的内外导体之间施加偏置电压；

在所述偏置电压下，由所述矢量网络分析仪测量对应入射波频率在所述开路端与所述转接头之间未夹持待测材料时的第一反射系数和夹持所述待测材料的第二反射系数；以及

由所述计算终端根据所述偏置电压下测得的对应所述入射波频率的所述第一反射系数和第二反射系数获得所述待测材料在所述偏置电压下响应于所述入射波频率的介电参数。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括：

所述直流电源经由所述偏置T型接头向所述转接头的内外导体之间施加不同的偏置电压；

在所施加的不同偏置电压下，由所述矢量网络分析仪测量对应所述入射波频率在所述开路端与所述转接头之间未夹持所述待测材料时的所述第一反射系数和夹持所述待测材料时的所述第二反射系数；以及

由所述计算终端根据不同偏置电压下测得的对应所述入射波频率的所述第一反射系数和所述第二反射系数获得所述待测材料在不同偏置电压下响应于所述入射波频率的介电参数。

9.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括：

在所述偏置电压下，由所述矢量网络分析仪测量对应不同入射波频率在所述开路端与所述转接头之间未夹持所述待测材料时的所述第一反射系数和夹持所述待测材料时的所述第二反射系数；以及

由所述计算终端根据所述偏置电压下测得的对应不同入射波频率的所述第一反射系数和所述第二反射系数获得所述待测材料在所述偏置电压下响应于不同入射波频率的介电参数。

10.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述偏置T型接头的所述第二端具有隔绝直流的作用以阻止来自所述第三端的偏置电压进入与所述第二端相连的所述矢量网络分析仪。

11.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，使用的所述开路端是7mm开路端，以及使用的所述转接头为7mm转3.5mm转接头。