CN106707037B - 一种材料电磁特性参数无损反射测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料电磁特性参数无损反射测量方法及装置，所述方法包括：步骤1：利用喇叭天线发射电磁波，介质透镜将电磁波转化为平面波；步骤2：将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征该整体的电磁特性，利用校准方法消除路径散射误差以及失配误差；步骤3：平面波与平板型介质材料相互作用产生反射波，反射波沿原路径返回被喇叭天线接收，喇叭天线将接收到的反射波传输到矢量网络分析仪，将校准数据引入得到介质表面的反射系数；步骤4：将测试得到的介质表面反射系数与理论值进行对比，得到介质材料电磁特性参数；实现了测量步骤简化，整个测量过程易于实现，能够实现对介质的无损非接触测量的技术效果。

Description

一种材料电磁特性参数无损反射测量方法及装置

技术领域

本发明涉及微波测量技术领域，具体地，涉及无损反射测量技术。

背景技术

介质材料电磁参数的测量在国防、工业、农业以及材料学和生物医学等领域均发挥着重要的作用。无论是对于微波通信还是其他应用领域都需要精确知道相关介质材料的电磁特性,介质材料电磁参数主要包括复介电常数和复磁导率,对于未知材料的电磁参数只能通过测量手段获得。随着微波技术的发展,对介质材料电磁参数的测量技术也提出了更高的要求，微波介质材料测量技术有着无损测量技术发展的趋势。

自由空间法作为典型的材料介电常数无损测试方法，是一种开场电磁特性参数测试技术。其测试原理与传输/反射法类似，测试中利用了点聚焦透镜天线，使能量汇聚在焦点处与被测介质相互作用，利用菲涅尔定理，考虑电磁波在媒质中传播的实际情况，通过引入微波二端口散射矩阵模型简化分析建立测量模型，并结合TRL校准方法，实现对微波介质电磁参数的测量。但该方法存在相位模糊性，介质厚度谐振，测试平台搭建复杂等问题。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的自由空间测量方法存在相位模糊性，介质厚度谐振，测试平台搭建复杂的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种材料电磁特性参数无损反射测量方法及装置，解决了现有的自由空间测量方法存在相位模糊性，介质厚度谐振，测试平台搭建复杂的技术问题，实现了测量步骤简化，整个测量过程易于实现，能够实现对介质的无损非接触测量的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一方面一种材料电磁特性参数无损反射测量方法，所述方法包括：

步骤1：利用喇叭天线发射电磁波，介质透镜将电磁波转化为平面波；

步骤2：将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征该整体的电磁特性，利用校准方法消除路径散射误差以及失配误差；

步骤3：平面波与平板型介质材料相互作用产生反射波，反射波沿原路径返回被喇叭天线接收，喇叭天线将接收到的反射波传输到矢量网络分析仪，将校准数据引入得到介质表面的反射系数；

步骤4：将测试得到的介质表面反射系数与理论值进行对比，得到介质材料电磁特性参数。

本发明利用喇叭天线发射电磁波，介质透镜将电磁波转化为近似平面波然后与平板型介质材料相互作用产生反射波，反射波通过相同的路径被喇叭天线接收，以此过程为基础建立喇叭天线的反射系数与平板型介质材料介电常数的关系，由于喇叭天线自身存在反射并且透镜对入射电磁波的散射影响会引起较大误差，本发明所述测量方法通过引入校准方法使测量结果更加准确，整个测量过程易于实现，能够实现对某些特定介质的无损非接触测量。

本发明所述方法所涉及透镜喇叭天线的设计基于几何光学原理。符合几何光学原理的电磁场称为几何光学场。由于几何光学场的能量是沿直线传播的，因此可以用射线方法描述几何光学场的传播特性，简化电磁场的分析过程。将喇叭天线作为一个辐射单元，在其前端加一个单曲面透镜，通过电磁波在单曲面的折射，可以转换辐射的电磁波类型(将球面波转化为平面波)。

进一步的，所述步骤1还包括：

首先，将矢量网络分析仪的接口与波导同轴转换结构连接，并用波导校准件对其进行校准，使矢量网络分析仪的测试参考面为波导口；(目的：消除矢量网络分析仪到波导口的失配误差，此时矢量网络分析显示的S₁₁即为波导口的反射系数)

然后，将喇叭天线与波导口相连接，透镜焦点位于喇叭天线的相位中心(目的：透镜焦点位于喇叭天线的相位中心使喇叭天线发射的电磁波转化为近似平面波)。

进一步的，所述步骤1还包括：检验透镜焦点是否位于喇叭天线的中心线上，具体为：

用一块金属反射板垂直放置在透镜的出射面10cm-30cm的位置，并横向移动(靠近透镜移动远离透镜移动都可以)，检验透镜焦点是否位于喇叭天线的中心线上，若移动金属板位置矢量网络分析仪测得的反射系数S11幅度变化小于0.1dB(满足反射系数S11幅度变化小于0.1dB，则透镜喇叭天线的出射波可近似视为平面波)，则认为透镜焦点位于喇叭天线的相位中心。

进一步的，所述步骤1还包括：

将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征其电磁特性，端口1为喇叭天线的波导馈电入射端口，端口2为透镜的出射面，散射矩阵(目的：散射矩阵直接与可观测的物理量相联系，散射矩阵在微波元件中表示网络特性参量，在n端口线性网络中，可描述各端口归一化入射电压波与归一化反射电压波之间的关系，在微波网络中便于测量，因此建立散射矩阵描述透镜喇叭天线的电磁特性，能够简化分析过程且不失准确性)具体表达式如下：

其中，S11为1端口的反射系数，S12为1端口到2端口的传输系数，S21为2端口到1端口的传输系数，S22为2端口的反射系数。

进一步的，所述步骤2还包括：在距离透镜出射面的预设位置d处设立测试参考面，若在室外测试将透镜喇叭天线对准自由空间(自由空间是指无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间)，若在室内测试将吸波材料放置在透镜出射面的预设位置，消除背景反射影响。

进一步的，利用矢量网络分析仪引入校准方法测量介质材料表面的反射系数，具体包括：

测试状态一：用矢量网络分析仪测量无反射物时，透镜喇叭天线的反射系数Γ₀，则有：

Γ₀＝S₁₁

测试状态二：用矢量网络分析仪测量金属反射板垂直放置在测试参考面时，透镜喇叭天线的反射系数为Γ₁,则有：

Γ₁＝S₁₁+S₁₂·S₂₁e^2jφ+π

其中，φ为透镜距测试参考面的距离d对应的电长度，；

测试状态三：用矢量网络分析仪测量被测介质材料垂直放置在测试参考面时，透镜喇叭天线的反射系数为Γ₂，则有：

Γ₂＝S₁₁+Γ·S₁₂·S₂₁e^2jφ+π

其中，Γ为被测介质材料表面的反射系数；

基于三种状态测试得到的反射系数Γ₀、Γ₁、Γ₂，计算得到被测介质材料表面的反射系数Γ：

将测试得到的被测介质材料表面的反射系数Γ与平面波入射介质材料表面反射系数理论值进行比对，得到其介电常数的最优解ε_r。

另一方面，本申请还提供了一种材料电磁特性参数无损反射测量装置，所述装置包括：

矢量网络分析仪、喇叭天线、介质透镜、介质材料、波导同轴转换结构；其中，将矢量网络分析仪的接口与波导同轴转换结构连接，矢量网络分析仪的测试参考面为波导口；将喇叭天线与波导口相连接，透镜焦点位于喇叭天线的相位中心，其中，将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征其电磁特性，利用校准方法消除路径散射误差以及失配误差；平面波与平板型介质材料相互作用产生反射波，反射波沿原路径返回被喇叭天线接收，喇叭天线将接收到的反射波传输到矢量网络分析仪，将校准数据引入得到介质表面的反射系数；将测试得到的介质表面反射系数与理论值进行对比，得到介质材料电磁特性参数。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于该方法测试过程仅对反射波进行测量，其校准过程和测试装置都得到简化，避免了自由空间测量方法存在的相位模糊性，介质厚度谐振问题，且经过校准之后可对不同厚度、不同介电常数的介质材料连续测量，无需移动测量装置，减少因人为操作引起较大误差的可能性，实现了测量步骤简化，整个测量过程易于实现，能够实现对介质的无损非接触测量的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本发明方法的实际测量图；

图2、3、4为本发明方法引入的校准方法的测量模型图；

图5为本发明透镜喇叭天线的仿真图；

图6、7、8为本发明方法实测FR4的Γ₀、Γ₁、Γ₂的幅度值；

图9为本发明方法实测FR4的介电常数结果。

具体实施方式

本发明提供了一种材料电磁特性参数无损反射测量方法及装置，解决了现有的自由空间测量方法存在相位模糊性，介质厚度谐振，测试平台搭建复杂的技术问题，实现了测量步骤简化，整个测量过程易于实现，能够实现对介质的无损非接触测量的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图9，本申请提供了一种材料电磁特性参数无损反射测量方法，所述方法包括：

步骤1：利用喇叭天线发射电磁波，介质透镜将电磁波转化为平面波；

步骤2：平面波与平板型介质材料相互作用产生反射波，反射波沿原路径返回被喇叭天线接收；

步骤3：喇叭天线将接收到的反射波传输到矢量网络分析仪；

步骤4：矢量网络分析仪基于反射波数据，分析获得介质材料电磁特性参数，并对获得的参数进行校准。

具体过程为：

a)将矢量网络分析仪的接口与波导同轴转换结构连接，并用波导校准件对其进行校准，使矢量网络分析仪的测试参考面为波导口。

b)将喇叭天线与波导口相连接，再将其置于透镜焦点的位置。

c)用一块金属反射板垂直放置在透镜的出射面10cm-30cm的位置内横向移动，检验喇叭天线是否放置在透镜的焦点位置，若移动金属板位置矢量网络分析仪测得的反射系数S11幅度变化小于0.1dB，则认为喇叭天线放置在焦点位置。

d)将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征其电磁特性，端口1为喇叭天线的波导馈电入射端口，端口2为透镜的出射面，散射矩阵具体表达式如下：

e)在距离透镜出射面合适位置d处设立为测试参考面，若在室外测试将透镜喇叭天线对准半自由空间，若在室内测试将吸波材料放置在其出射面的合适位置，消除背景反射影响。

f)引入校准方法，具体步骤如下所示：

1)测试状态一：用矢量网络分析仪测量无反射物时，透镜喇叭天线的反射系数Γ₀，则有：

Γ₀＝S₁₁ (2)

2)测试状态二：用矢量网络分析仪测量金属反射板垂直放置在测试参考面时，透镜喇叭天线的反射系数为Γ₁,则有：

Γ₁＝S₁₁+S₁₂·S₂₁e^2jφ+π (3)

其中，φ为透镜距测试参考面的距离d对应的电长度。

3)测试状态三：用矢量网络分析仪测量被测介质材料垂直放置在测试参考面时，透镜喇叭天线的反射系数为Γ₂，则有：

Γ₂＝S₁₁+Γ·S₁₂·S₂₁e^2jφ+π (4)

其中，Γ为被测介质材料表面的反射系数。

g)将三种状态测试得到的反射系数Γ₀、Γ₁、Γ₂利用公式(5)得到被测介质材料表面的反射系数Γ。

h)将测试得到的被测介质材料表面的反射系数Γ与平面波入射介质材料表面反射系数理论值进行比对，得到其介电常数的最优解ε_r。

下面举例对本申请进行介绍，

本实施例以测量FR4为例,具体测试过程如下：

1)将矢量网络分析仪的接口与波导同轴转换结构连接，并用波导校准件对其进行校准，将喇叭天线与波导口相连接，再将其置于透镜焦点的位置，透镜的焦距为16cm，测试参考面位于距离透镜出射面14cm处，测试频率范围为10.25GHz-10.45GHz。

2)用矢量网络分析仪测量无反射物时，透镜喇叭天线的反射系数Γ₀，其幅度测试结果如图6所示；

3)用矢量网络分析仪测量金属反射板垂直放置在测试参考面时，透镜喇叭天线的反射系数为Γ₁，其幅度测试结果如图7所示；

4)用矢量网络分析仪测量被测介质材料垂直放置在测试参考面时，透镜喇叭天线的反射系数为Γ₂，其幅度测试结果如图8所示；

5)将三种状态测试得到的反射系数进行计算得到被测介质材料表面的反射系数Γ然后与平面波入射介质材料表面反射系数理论值进行比对，得到其介电常数的最优解，其结果如图9所示，FR4的介电常数为4.4与测试结果相比吻合但有较小波动，证明该方法真实有效。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于该方法测试过程仅对反射波进行测量，其校准过程和测试装置都得到简化，避免了自由空间测量方法存在的相位模糊性，介质厚度谐振问题，且经过校准之后可对不同厚度、不同介电常数的介质材料连续测量，无需移动测量装置，减少因人为操作引起较大误差的可能性，实现了测量步骤简化，整个测量过程易于实现，能够实现对介质的无损非接触测量的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种材料电磁特性参数无损反射测量方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：利用喇叭天线发射电磁波，介质透镜将电磁波转化为平面波；

步骤2：将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征该整体的电磁特性，利用校准方法消除路径散射误差以及失配误差；

步骤3：平面波与平板型介质材料相互作用产生反射波，反射波沿原路径返回被喇叭天线接收，喇叭天线将接收到的反射波传输到矢量网络分析仪，将校准数据引入得到介质表面的反射系数；

步骤4：将测试得到的介质表面反射系数与理论值进行对比，得到介质材料电磁特性参数；

利用矢量网络分析仪引入校准方法测量介质材料表面的反射系数，具体包括：

测试状态一：用矢量网络分析仪测量无反射物时，透镜和喇叭天线的反射系数Γ₀，则有：

Γ₀＝S₁₁

测试状态二：用矢量网络分析仪测量金属反射板垂直放置在测试参考面时，透镜和喇叭天线的反射系数为Γ₁,则有：

Γ₁＝S₁₁+S₁₂·S₂₁e^2jφ+π

其中，φ为透镜距测试参考面的距离d对应的电长度，j为虚数单位，π为圆周率；

测试状态三：用矢量网络分析仪测量被测介质材料垂直放置在测试参考面时，透镜和喇叭天线的反射系数为Γ₂，则有：

Γ₂＝S₁₁+Γ·S₁₂·S₂₁e^2jφ+π

其中，Γ为被测介质材料表面的反射系数；

基于三种状态测试得到的反射系数Γ₀、Γ₁、Γ₂，计算得到被测介质材料表面的反射系数Γ：

将测试得到的被测介质材料表面的反射系数Γ与平面波入射介质材料表面反射系数理论值进行比对，得到其介电常数的最优解ε_r，其中，S₁₁为1端口的反射系数，S₁₂为1端口到2端口的传输系数，S₂₁为2端口到1端口的传输系数，S₂₂为2端口的反射系数。

2.根据权利要求1所述的材料电磁特性参数无损反射测量方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

首先，将矢量网络分析仪的接口与波导同轴转换结构连接，并用波导校准件对波导同轴转换结构进行校准，使矢量网络分析仪的测试参考面为波导口；

然后，将喇叭天线与波导口相连接，透镜焦点位于喇叭天线的相位中心。

3.根据权利要求1所述的材料电磁特性参数无损反射测量方法，其特征在于，所述步骤1还包括：检验透镜焦点是否位于喇叭天线的相位中心，具体为：

用一块金属反射板垂直放置在透镜的出射面10cm-30cm的位置，并横向移动，检验透镜焦点是否位于喇叭天线的相位中心，若移动金属板位置矢量网络分析仪测得的反射系数S11幅度变化小于0.1dB，则认为透镜焦点位于喇叭天线的相位中心。

4.根据权利要求1所述的材料电磁特性参数无损反射测量方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

将透镜和喇叭天线视为一个整体，并用二端口散射矩阵来表征其电磁特性，端口1为喇叭天线的波导馈电入射端口，端口2为透镜的出射面，散射矩阵具体表达式如下：

其中，S₁₁为1端口的反射系数，S₁₂为1端口到2端口的传输系数，S₂₁为2端口到1端口的传输系数，S₂₂为2端口的反射系数。

5.根据权利要求1所述的材料电磁特性参数无损反射测量方法，其特征在于，所述步骤2还包括：在距离透镜出射面的预设位置d处设立测试参考面，若在室外测试将透镜和喇叭天线对准自由空间，若在室内测试将吸波材料放置在透镜出射面的预设位置，消除背景反射影响。