CN106443198B - 一种同轴线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料测试技术领域，具体公开了一种同轴线测试方法。和传统的同轴线测试方法比较，专门设计了金属环校准件，通过加载金属环校准件可以直接校准到空气线两端，从而解决非专用转接头到空气线端口校准困难的问题。测试包括如下步骤，分别测试空气线、内导体套设有金属环的空气线、内导体套设有待测材料的空气线的散射参数，根据测试获得的散射参数，计算得出待测材料的介电常数和/或磁导率；本发明的测试方式，无需使用与同轴转接头匹配的校准器件，也无需调整待测材料在同轴线内部的绝对位置，在节省成本的同时也避免了材料在同轴线内实际位置与测量位置偏差而产生的误差。

Description

一种同轴线测试方法

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体公开了一种同轴线测试方法。

背景技术

材料电磁参数的测量技术一直是材料科学、微波电路设计、生物电磁效应、吸波隐身技术等领域的重要研究课题。目前，同轴法的测量主要是采用标准的机械或电子校准器件在校准后进行测量；在具体测量时，需要使用校准器件与同轴转接头配合使用，并且需要对准同轴线内部的绝对位置才能获得较为准确的测量结果。

现有的测量方法存在以下问题：1、与同轴转接头配合使用的校准器件的价格十分昂贵，普通校准器件与相应软件都需要上千美金，从而导致测量成本居高不下；2、需要得到待测样品在同轴中的绝对位置，绝对位置的测量难以避免存在人为误差，不能保证测试结果的准确性；3、传统的NRW算法对于磁性材料或损耗较大的材料存在厚度谐振问题，难以解决。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种同轴线测试方法，不需要使用标准的校准器件，无需调整绝对位置，从而使得在大幅降低成本的同时也避免了误差。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种同轴线测试方法，包括以下步骤，

参数测试步骤：分别测试空气线、内导体套设有金属环的空气线、内导体套设有待测材料的空气线的参数；

计算步骤：根据参数测试步骤获得的参数，计算得出待测材料的介电常数和/或磁导率。

其中，参数测试步骤获得的散射参数中，空气线的散射参数用于透射幅度相位校准，内导体套有金属环的空气线的散射参数用于反射幅度相位校准。

优选地，内导体与金属环一体成型。

优选地，金属环为铜环。

优选地，待测材料位于内导体的位置与金属环位于内导体的位置相同。

具体地，计算步骤包括以下步骤：

将散射参数校准到待测样品的两端面，去除线缆转接头和空气引入的噪声和相位偏差；

根据校准后待测样品两端面的反射和透射参数，通过传输反射算法，计算出特性阻抗Zc和传播常数γ；

根据特性阻抗Zc、传播常数γ与介电常数ε_r、磁导率μ_r之间的关系，得出待测材料的介电常数或磁导率。

其中，所述将散射参数校准到待测样品的两端面，去除线缆转接头和空气引入的噪声和相位偏差的步骤具体为：

S₁₁＝S₁₁sample/(S₁₁cu·ex_p(iπ))

S₂₁＝S₂₁sam_ple/(S₂₁air·exp(-ik₀d))；

其中，S₁₁、S₂₁为校准后待测样品端面的散射参数，exp(-ik₀d)为消除空气经过待测样品厚度产生的相位延迟，k₀为空气中波矢，d为待测样品的厚度，S_11cu为内导体套有金属环的空气线的散射参数，S_21air为空气线的散射参数，S_11sample、S_21sample为内导体套有待测材料的空气线的散射参数。

特性阻抗Zc、传播常数γ与介电常数ε_r、磁导率μ_r之间的关系为

本发明的有益效果：本发明提供的同轴线测试方法，分别测出空气线、套设金属环的空气线、套设样品材料的空气线的参数，并通过数据处理，从而得出待测样品材料的介电常数和磁导率；本发明采用的测试方式，无需使用与同轴转接头匹配的校准器件，也无需调整待测材料在同轴线内部的绝对位置，在节省成本的同时也避免了材料在同轴线内实际位置与测量位置偏差而产生的误差。

附图说明

图1为矢量网络分析仪的使用示意图；

图2为本发明的同轴线结构示意图；

图3为本发明的设有金属环的内导体结构示意图；

图4为本发明的设有金属环的同轴线结构示意图；

图5为本发明的放置有待测样品材料的同轴线结构示意图；

图6为采用本发明方法测得的样品介电常数的测试结果示意图；

图7为采用本发明方法测得的样品磁导率的测试结果示意图。

附图标记：1—外导体；2—内导体；3—铜环；4—样品。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

和传统的同轴线测试方法比较，本发明专门设计了金属环校准件，通过加载金属环校准件可以直接校准到空气线两端，从而解决非专用转接头到空气线端口校准困难的问题。

本发明提供的同轴线测试方法，具体可分为三步。

第一步，测试空气线的散射参数，得到S_21air。

具体地，如图2所示，黑色部分为内导体2和外导体1，白色部分为空气线，将内外导体与同轴转接头连接，并分别接入如图1所示的矢量网络分析仪的Port1与Port2两端，对空气线两端口的散射参数进行测试，将结果记为S_21air，其中，幅度以dB为单位，相位以角度为单位。在这个步骤中，因为只有空气线，因此这个步骤所获得的散射参数用于透射幅度相位校准。

需要说明的是，图1的矢量网络分析仪为现有技术，为目前材料测试领域中普遍采用的测试仪器。

第二步，在内导体加上金属环，并测试得出S_11cu。

具体地，如图3所示，在内导体2上套设一个金属圆环，金属圆环所用材料为具有良好导电性的金属，作为优选实施例，金属圆环材料采用铜，并且优选地将内导体2与铜环3设计为一体成型，并使得铜环3在内导体2的位置固定，即，铜环3固设于内导体2。这个步骤获得的散射参数用于反射幅度相位校准；而使铜环3固定于内导体2的好处在于采用该结构测试得出的参数稳定，可更好地作为反射幅度相位校准的标准比较值。

将上述结构的内导体2放入空气线内部，具体结构如图4所示。之后，将内外导体与同轴转接头连接，并分别接入矢量网络分析仪的Port1与Port2两端，对套设有金属环的空气线两端口的散射参数进行测试，将结果记为S_11cu，其中，幅度以dB为单位，相位以角度为单位。

第一步和第二步获得的参数S_21air、S_11cu用于幅度相位校准，以作为待测材料样品的基准幅度相位。

第三步，测试待测材料样品的散射参数。

具体地，重新换一个标准内导体，通过夹具将待测材料样品4放置在内导体2上，如图5所示；然后同样地，将内外导体与同轴转接头连接，并分别接入矢量网络分析仪的Port1与Port2两端，测试此时材料样品4的S_11sample，S_21sample。

优选地，将待测材料样品4放置在与图4所示的铜环3一端面(Port1端口方向)相同的位置，从而获得较为精准的测试结果；实际应用中，也可以将待测材料样品4放置在其它位置。当放置在其它位置时，测试结果会产生一定的偏差，但偏差属于可接受范围。

需要强调的是，上述三个步骤无需严格按照上述顺序，本领域技术人员可知，完全可以根据实际应用情况来调换上述顺序，只要最终能获得上述散射参数即可。

从上述三个步骤可知，本发明采用的测试方法不需要使用与同轴转接头相匹配的校准器件，从而大幅降低了成本；也不需要调整待测材料在同轴线内部的绝对位置，从而避免了待测材料在同轴线内的实际位置与测量位置偏差而产生的误差，进而提高了测试准确度。

上述所测得的所有S散射参数均包含振幅和相位两部分，获得上述参数后，通过校准算法和散射参数反推方法进行数据处理，最终得出材料的主要参数：介电常数和/或磁导率，从而得出最终测试结果。

具体地，首先将散射参数校准到待测样品的两端面，去除线缆和空气引入的背景噪声和相位偏差：

S₁₁＝S₁₁sample/(S₁₁cu·exp(iπ))

S₂₁＝S₂₁sample/(S₂₁air·ex_p(-ik₀d))

其中exp(-ik₀d)为消除空气经过待测样品厚度产生的相位延迟；k₀代表空气中波矢，d代表待测样品厚度；S₁₁,S₂₁分别代表校准后在待测样品两端面的S散射参数。

而且，基于传统的NRW传输/反射算法，本发明提出一种改进的电磁参数计算方法，该方法可以消除厚度谐振产生的误差，大幅提高磁性材料与损耗较大材料的测试精度。具体计算方法如下。

由传输线理论可知，特性阻抗为Z_c、长度为d的一段传输线在传输TE波或TEM波时，特性阻抗Z_c、传播常数γ与介电常数ε_r、磁导率μ_r之间具有如下关系：

其中，Z₀为系统特性阻抗，γ₀为空气的传播常数，Z₀、γ₀均为定值。

设传输线等效二端口网络的通用矩阵为：

其中，当U₂＝0时，终端短路，则该对称网络有

当分别取Z₀＝0、I₂＝0和Z₀＝∞时，通过计算得：

a＝d＝chγd

b＝Z₁a＝Z_cthγd chγd＝Z_cshγd

再对上述n矩阵归一化，得到该传输线等效二端口网络的归一化通用矩阵：

式中，Z₀为系统特性阻抗。

当把厚度为d的待测材料样品放入波导管或同轴线中时，可以看作上述的传输线，其等效二端口网络如下图所示。

该网络归一化通用矩阵即为上式，而散射矩阵为：

由上式可见，总网络为互易、对称二端口网络，即

S₁₁＝S₂₂,S₁₂＝S₂₁

由散射矩阵与归一化通用矩阵的关系可以得到：

综合上式，可以得到：

式中，为归一化特性阻抗，取

可以得出特性阻抗Z_c的解析解为：

继而可以得出传输系数T_d的解，其中Γ_c为反射系数。

另外，又有式：

则最终可以推出：

其中λ₀为空气中的工作波长。

对于电介质材料，即μ_r＝1，可得到：

采用本发明方法测试的某3D打印材料的介电常数和磁导率的测试结果，分别如图6、图7所示。

综上，本发明通过矢量网络分析仪来分别测试得出空气线、套设有金属环的空气线的散射参数，将此散射参数作为待测材料样品的比较基准，省去使用标准校准器件进行校准。

在实际应用中，一般而言在测试前需要将矢量网络分析仪预热30分钟。

然后进行线路校准：设置矢量网络分析仪的频率范围至2GHz-18GHz(标准同轴线的工作频率范围为2-18GHz)，采样点大于等于201个频点；接入用于校准线缆的线缆电子校准件，用线缆将矢量网络分析仪端口Port1与Port2分别与线缆电子校准件两端相连。按照Calculation选项中的步骤校准。

检查校准结果：将矢量网络分析仪端口Port1与Port2用高频双阴头连接，测试S11的反射驻波比并观测S21的相位，若整个频段的驻波在1.02以内并且S21相位光滑则认为校准合格，否则需要重新校准。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种同轴线测试方法，其特征在于，包括以下步骤，

参数测试步骤：分别测试空气线、内导体套有金属环的空气线、内导体套有待测材料的空气线的散射参数；

计算步骤：根据参数测试步骤获得的散射参数，计算得出待测材料的介电常数和/或磁导率；

在参数测试步骤获得的散射参数中，空气线的散射参数用于透射幅度相位校准，内导体套有金属环的空气线的散射参数用于反射幅度相位校准；

所述计算步骤包括以下步骤：

将散射参数校准到待测样品的两端面，去除线缆转接头和空气引入的噪声和相位偏差；

根据校准后待测样品两端面的反射和透射参数，通过传输反射算法，计算出特性阻抗Zc和传播常数γ；

根据特性阻抗Zc、传播常数γ与介电常数ε_r、磁导率μ_r之间的关系，得出待测样品的介电常数和/或磁导率；

所述将散射参数校准到待测样品的两端面，去除线缆转接头和空气引入的噪声和相位偏差的步骤，

具体为：S11＝S11sample/(S11cu·exp(iπ))；

S21＝S21sample/(S21air·exp(-ik0d))；

其中，S11、S21为校准后待测样品端面的散射参数，exp(-ik0d)为消除空气经过待测样品厚度产生的相位延迟，k0为空气中波矢，d为待测样品的厚度，S11cu为内导体套有金属环的空气线的散射参数，S21air为空气线的散射参数，S11sample、S21sample为内导体套有待测材料的空气线的散射参数；

特性阻抗Zc、传播常数γ与介电常数ε_r、磁导率μ_r之间的关系为

2.根据权利要求1所述的同轴线测试方法，其特征在于：内导体与金属环一体成型。

3.根据权利要求1所述的同轴线测试方法，其特征在于：金属环为铜环。

4.根据权利要求1所述的同轴线测试方法，其特征在于：待测材料位于内导体的位置与金属环位于内导体的位置相同。