CN108362763A - 一种石墨烯材料电磁参数测试系统、测试方法和测试夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯材料电磁参数测试系统、方法及夹具，其中系统包括：测试夹具，包括外夹具以及置于所述外夹具中的内嵌式夹具，外夹具具有与矢量网络分析仪连接的反射测试端口和传输测试端口，内嵌式夹具用于夹持石墨烯材料测试样品；矢量网络分析仪，用于测量外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数；数据处理装置，用于对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。本发明通过在外夹具内增设内嵌式夹具，保护薄层样品装夹过程中不受损坏，可以对石墨烯材料薄层状态下的电磁参数进行测量，获得更为准确的测量数据。

Description

一种石墨烯材料电磁参数测试系统、测试方法和测试夹具

技术领域

本发明涉及微波材料介质特性测量技术领域，尤其涉及一种石墨烯材料电磁参数测试系统、测试方法和测试夹具。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型晶格的新型二维碳材料；单层石墨烯仅有一个原子层厚度，是目前世上已知的最薄最坚硬的材料。单层石墨烯近乎完全透明，吸收率仅为2.3％，面内导热系数高达5300W/(m·k)，高于世上已知的所有材料。常温下其电子迁移率超过1500cm²/(V·s)，而电阻率仅为10^-8Ω·m，低于铜或银等高导电金属。由于具有π电子网络，石墨烯能够为电子提供良好的导电通道，具有良好的导电性。基于其独特的结构与性能，石墨烯在电磁材料领域具有优异的应用前景，设计高效石墨烯基电磁屏蔽/吸波复合材料已逐渐成为的一个研究热点。

包括石墨烯材料在内的每种材料都具有一些独特的电气特征，与介质特性(磁导率、介电常数)有关，各行各业都需要对它们所用的材料有非常清晰的了解，以便缩短设计、进厂检验、流程检测和质量保证等阶段所花费的时间。通过对介质特性进行精确测量，科技人员和工程师能够获得宝贵的信息，从而在具体应用中恰当地运用这些材料，创造更可靠的设计或监测生产流程，改进质量控制。

石墨烯属于新型纳米材料，其理化特性及电磁特性不同于传统的介质材料，薄层状态下的电磁参数才更接近石墨烯的真实情况(d≤1mm)，然而一般的测试夹具及测试方法主要针对厚层材料测量(d＝2～4mm)，因此不适用石墨烯材料的电磁参数获取。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中一般的测试夹具和方法不适于石墨烯薄层材料测量的缺陷，提供一种石墨烯材料电磁参数测试系统、测试方法和测试夹具。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种石墨烯材料电磁参数测试系统，包括：

测试夹具，所述测试夹具包括外夹具以及置于所述外夹具中的内嵌式夹具，所述外夹具具有与矢量网络分析仪连接的反射测试端口和传输测试端口，所述内嵌式夹具用于夹持石墨烯材料测试样品；

矢量网络分析仪，用于测量外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数；

数据处理装置，用于对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。

优选地，所述外夹具为同轴夹具，包括空心圆柱状的外导体和实心圆柱状的内导体，所述内导体和外导体同轴设置；所述石墨烯材料的测试样品被加工成圆环样试件，所述圆环样试件的内径与所述内导体的外径匹配，所述圆环样试件的外径与所述外导体的内径匹配；所述内嵌式夹具包括两块截面形状与所述圆环样试件相同的圆环样夹块，分别夹持在所述圆环样试件两侧后套设在所述实心圆柱状的内导体上，并置入所述外导体。

优选地，所述外夹具为具有波导腔的波导框；所述石墨烯材料的测试样品被加工成薄膜状试件，且所述薄膜状试件的长度和宽度均与所述波导腔的长度和宽度匹配；所述内嵌式夹具包括两块截面形状与所述薄膜状试件相同的长方形夹块，分别夹持在所述薄膜状试件两侧后置入所述波导腔中。

优选地，所述数据处理装置通过以下公式对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿：

S₁₁＝S_11m exp(2γ₀l)

S₂₁＝S_21mexp[γ₀(l_total-l)]

其中，S₁₁和S₂₁分别为石墨烯材料测试样品的入射端面和出射端面的散射参数，S_11m和S_21m分别为外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数，l为石墨烯材料测试样品的厚度，l_total为反射测试端口和传输测试端口的端接面的距离，γ₀为空气的传播常数。

优选地，所述数据处理装置中通过以下公式计算石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数：

其中γ＝-ln(T)/l，

γ₀为空气的传播常数，ε₀、μ₀分别为空气的介电常数和磁导率，j为虚数单位，Γ和T分别为反射和传输系数，l为试样厚度，ε_r＝ε_r＇-jε_r＂，μ_r＝μ_r＇-jμ_r＂分别为石墨烯材料测试样品的复介电常数和复磁导率；ω＝2πf为工作角频率。

优选地，所述数据处理装置中通过以下公式求解ln(T)：

将ln(T)用以下公式表示：

ln(T)＝ln(α+j*β)＝A+j*B＝A+j*B±2nπ；

式中n＝0、1、2…；

(1)在初始测试频率低时，将n取值为0；

(2)当测试频率升高时f_m+1＞f_m，如果则n＝n；若有则判断ln(1/T)的虚部发生了周期性的跳变，对虚部进行补偿，此时f_m+1及以后所有的频点对应的n＝n+1。

优选地，所述内嵌式夹具采用聚四氟乙烯制成；和/或所述内嵌式夹具的厚度为2mm～5mm。

本发明第二方面，提供了一种石墨烯材料电磁参数测试方法，基于如前所述的石墨烯材料电磁参数测试系统实现，所述方法包括：

1)加工石墨烯材料测试样品；

2)将矢量网络分析仪连接至空心的外夹具的反射测试端口和传输测试端口执行校准操作；

3)首先将矢量网络分析仪单独连接空心的外夹具并记录所采集的数据；随后将未夹持石墨烯材料测试样品的内嵌式夹具单独置入外夹具中，并连接矢量网络分析仪记录所采集的数据；最后将在内嵌式夹具中放入石墨烯材料测试样品，并置入外夹具中，并连接矢量网络分析仪记录所采集的数据；

4)矢量网络分析仪根据步骤3)记录的数据获得反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数；

5)数据处理装置根据内嵌式夹具的安放位置，对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。

优选地，所述步骤1)中将石墨烯粉体分散在粘结剂中，并通过超声波处理后在模具中加工成圆环样试件；且步骤2)和步骤3)中使用的外夹具为同轴夹具，内嵌式夹具为圆环样夹块；或者所述步骤1)中将石墨烯薄膜加工成长方体状；且步骤2)和步骤3)中使用的外夹具为波导框，内嵌式夹具为长方形夹块。

优选地，所述步骤1)中加工成的石墨烯材料测试样品的厚度为0.5～1.0mm。

本发明第三方面，提供了一种石墨烯材料电磁参数测试夹具，包括：外夹具以及置于所述外夹具中的内嵌式夹具，所述外夹具具有与矢量网络分析仪连接的反射测试端口和传输测试端口，所述内嵌式夹具用于夹持石墨烯材料测试样品。

实施本发明的石墨烯材料电磁参数测试系统、方法和夹具，具有以下有益效果：本发明通过在外夹具内增设内嵌式夹具，保护薄层样品装夹过程中不受损坏，可以对石墨烯材料薄层状态下的电磁参数进行测量，获得更为准确的测量数据；进一步地，本发明可以提供同轴和波导两种测试方式相结合，其测试方法简单，测量频率范围较宽，并通过简化传输/反射法中测量电磁参数的求解过程，获得更为精确的电磁参数测试结果。

附图说明

图1为根据本发明的石墨烯材料电磁参数测试系统的模块示意图；

图2为根据本发明的石墨烯材料电磁参数测试方法原理示意图；

图3a和3b为根据本发明第一实施例的石墨烯材料电磁参数测试系统中测试夹具的示意图；

图4a和4b为根据本发明第二实施例的石墨烯材料电磁参数测试系统中材料及测试夹具的示意图；

图5a和5b分别为根据本发明的聚四氟乙烯材料的标准电磁参数测试中复介电常数和复磁导率的曲线图；

图6a和6b分别为根据本发明的石墨烯材料的复介电常数和复磁导率测试曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明的石墨烯材料电磁参数测试系统的模块示意图。如图1所示，本发明提供的石墨烯材料电磁参数测试系统，包括：测试夹具100、矢量网络分析仪200和数据处理装置300。

其中，测试夹具100包括外夹具以及置于外夹具中的内嵌式夹具。外夹具至少具有微波输入端口、反射测试端口和传输测试端口。且该外夹具具有中心腔体。内嵌式夹具包括两块与石墨烯材料测试样品截面相同的夹块，用于在超声波的传导方向上从两侧夹持石墨烯材料测试样品，再一起被置入外夹具的中心腔体内。

矢量网络分析仪200与外夹具连接，用于测量外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数。矢量网络分析仪200具有微波信号输出端口、微波信号输入端口和数据输出端。其中微波信号输出端口通过输入同轴电缆与外夹具的微波输入端口连接，用于向中心腔体内发射电磁波。矢量网络分析仪200的微波信号输入端口通过同轴输出电缆与外夹具的反射测试端口和传输测试端口连接。请结合参阅图2，为根据本发明的石墨烯材料电磁参数测试方法原理示意图。如图2所示，其中第一测试端口和第二测试端口分别为外夹具的反射测试端口和传输测试端口，均位于外夹具的两个端面。其中第一测试端口位于电磁波发射的一端，用于检测经过石墨烯材料反射的电磁波信号，第二测试端口位于远离电磁波发射的一端，用于检测经过石墨烯材料透射的电磁波信号。本发明通过传输/反射法测量石墨烯材料的电磁参数。

数据处理装置300与矢量网络分析仪200的数据输出端连接，获取矢量网络分析仪200采集的数据，并对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的电磁参数，包括复磁导率和/或复介电常数。

由于薄层的石墨烯材料的力学性能不佳，容易在测试过程中发生破损或者变形，因此本发明通过在外夹具内增设内嵌式夹具，保护薄层样品装夹过程中不受损坏，可以对石墨烯材料薄层状态下的电磁参数(例如，厚度d≤1mm)进行测量，获得更为准确的测量数据。本发明解决了现有技术中没有专门针对石墨烯新型材料进行介质特性参数测试的问题。

本发明针对石墨烯材料两种常见存在状态：粉体、薄膜，分别提供了同轴线传输与波导传输两种测量方式的测试夹具。其中同轴主要针对粉体材料(测量频率为1～18GHz)，波导主要针对薄膜材料(测量频率为2～40GHz)，并依据石墨烯材料特性分别设计了匹配的内嵌式夹具，用以保护薄层样品。因此，本发明可以实现在宽频段范围内对石墨烯粉体及薄膜材料电磁参数进行测量的目的。

请参阅图3a为根据本发明第一实施例的石墨烯材料电磁参数测试系统中测试夹具的侧面示意图，图3b为图3a中面A-A处的截面图。如图3a和3b所示，该测试夹具100中外夹具为同轴夹具，包括空心圆柱状的外导体1和实心圆柱状的内导体2，所述内导体2和外导体1同轴设置。外导体1的内部构成外夹具的中心腔体。石墨烯材料的测试样品4被加工成圆环样试件，圆环样试件的内径与内导体2的外径匹配，圆环样试件的外径与外导体1的内径匹配。本发明中匹配的含义指直径相等或者在允许误差内，以保障相邻的零件接触配合。内嵌式夹具3则包括两块截面形状与圆环样试件相同的圆环样夹块，如图3b中第一圆环样夹块31和第二圆环样夹块32，分别夹持在圆环样试件4两侧后套设在实心圆柱状的内导体2上，并置入外导体4的中心腔体内。优选地，本发明的内嵌式夹具3采用聚四氟乙烯制成。内导体2和外导体1采用铜制成。优选地，圆环样试件的外径为5～7mm，内径为2～3.5mm，厚度l为0.5～1.0mm。相应地，内嵌式夹具3在沿超声波传导方向上的厚度，即第一圆环样夹块31和第二圆环样夹块32的总厚度优选为2～5mm。

请参阅图4a为根据本发明第二实施例的石墨烯材料电磁参数测试系统中测试夹具的侧面示意图，图4b为图4a中面B-B处的截面图。如图4a和4b所示，该测试夹具100中外夹具为具有波导腔的波导框。石墨烯材料的测试样品4被加工成长方形的薄膜状试件，且薄膜状试件的长度a和宽度b均与波导腔的长度和宽度匹配，即尺寸相等或者在允许误差内使得两者相接触。内嵌式夹具3包括两块截面与薄膜状试件的截面相同的长方形夹块，分别夹持在薄膜状试件两侧后置入波导腔中。优选地，本发明的内嵌式夹具3采用聚四氟乙烯制成。波导框采用铜制成。优选地，薄膜状试件的厚度l为0.5～1.0mm。相应地，内嵌式夹具3在沿超声波传导方向上的厚度，即两块长方形夹块的总厚度优选为2～5mm。

本发明也相应提供了上述分别用于同轴测量和波导测量的测试夹具100。

在本发明使用的传输/反射法测量过程中，由于石墨烯材料测试样品放置于一段传输线中，即所使用的测试夹具100，因此矢量网络分析仪200采集的是外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数。为了消除外夹具端接面与试样测量面的散射系数误差，需要对夹具做去嵌处理。假定l₁段与l₂段空气同轴线无损耗，则可测的基于校准端面的散射参数与试样端面的散射参数之间的转换式为：

S₁₁＝S_11mexp(2γ₀l) (1)

S₂₁＝S_21mexp[γ₀(l₁+l₂)]＝S_21mexp[γ₀(l_total-l)] (2)

也就是说，数据处理装置300通过上述公式(1)和(2)对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿。其中，S₁₁和S₂₁分别为石墨烯材料测试样品的入射端面(即面2)和出射端面(即面3)的散射参数，S_11m和S_21m分别为外夹具的反射测试端口端界面(即面1)和传输测试端口端接面(即面4)的散射参数，l为石墨烯材料测试样品的厚度，l_total为反射测试端口和传输测试端口的端接面的距离，γ₀为空气的传播常数。

由此可见，本发明参照测试样品在夹具内的安放位置，扣除内嵌式夹具的影响，依据微波传输理论及相位角的周期变化规律对散射参数进行相位补偿，从而得到基于石墨烯材料测试面的散射参数。

在获得石墨烯材料测试样品的入射端面和出射端面的散射参数S₁₁和S₂₁之后，依据传输/反射法测量原理计算石墨烯材料电磁参数，包括复介电常数ε_r和复磁导率μ_r。由以下公式推导：

T＝exp(-γl) (5)

为了便于表述，令则

γ＝-ln(T)/l (13)

式中，γ₀为空气的传播常数，γ为石墨烯材料的传播常数；Z₀、Z_C分别为空气和外夹具端接面之间的特性阻抗；ε₀、μ₀分别为空气的介电常数和磁导率，j为虚数单位，Γ和T分别为反射和传输系数，l为试样厚度，ε_r＝ε_r＇-jε_r＂，μ_r＝μ_r＇-jμ_r＂分别为石墨烯材料测试样品的复介电常数和复磁导率；ω＝2πf为工作角频率。

因此，数据处理装置300通过上述公式就可以计算石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。

根据复数运算法则，采用式(13)计算的ln(T)可写为：

ln(T)＝ln(α+j*β)＝A+j*B＝A+j*B±2nπ (18)

式中n＝0、1、2…。

1/T是唯一确定的，但ln(T)有多解，它们的虚部相差2nπ。进行数学运算时，一般直接给出[-π，+π]内的解，当虚部超过±π时，直接跳变到[-π，+π]内的值，由此确定的n值具有随机性；而满足算法要求的n应为唯一确定值，即满足关系n＝int(L/λ_g)，因此，本发明数据处理装置中通过以下步骤确定n：

(1)在初始测试频率低例如为1GHz时，将n取值为0；

(2)当测试频率升高时f_m+1＞f_m，如果则n＝n。其中f_m+1和f_m分别为m+1时刻和m时刻对应的测试频率。

若有则判断ln(1/T)的虚部发生了周期性的跳变，对虚部进行补偿，此时f_m+1及以后所有的频点对应的n＝n+1。其中是指测试频率为f_m+1时复数ln(1/T)的虚数部分。

本发明简化了传输/反射法中测量电磁参数的求解过程，并获得更精确的电磁参数测试结果。

本发明还提供了一种石墨烯材料电磁参数测试方法，可以采用上述石墨烯材料电磁参数测试系统实现，该石墨烯材料电磁参数测试方法包括：

1)加工石墨烯材料测试样品；该步骤1)中可以将石墨烯粉体分散在粘结剂中，并通过超声波处理后在模具中加工成圆环样试件。或者，将石墨烯薄膜加工成长方体状。优选地，加工成的石墨烯材料测试样品的厚度为0.5～1.0mm。

2)将矢量网络分析仪连接至空心的外夹具的反射测试端口和传输测试端口执行校准操作；

3)首先将矢量网络分析仪单独连接空心的外夹具并记录所采集的数据；随后将未夹持石墨烯材料测试样品的内嵌式夹具单独置入外夹具中，并连接矢量网络分析仪记录所采集的数据；最后将在内嵌式夹具中放入石墨烯材料测试样品，并置入外夹具中，并连接矢量网络分析仪记录所采集的数据。当石墨烯材料测试样品为石墨烯粉体制成的圆环样试件时，使用的外夹具为同轴夹具，内嵌式夹具为圆环样夹块。当石墨烯材料测试样品为加工成长方体状的石墨烯薄膜时，使用的外夹具为波导框，内嵌式夹具为长方形夹块。

4)矢量网络分析仪根据步骤3)记录的数据获得反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数；

5)数据处理装置根据内嵌式夹具的安放位置，对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。

下面结合具体的实施例对上述方法中的各个步骤进行详细说明：

1、测试样品准备

对同轴与波导测试样品，基本要求分别如下：

①同轴测试样品：将石墨烯材料测试样品用模具加工成圆环状，所述测试样品外径7.00mm，内径3.04mm，厚度0.5～1.0mm；

②波导测试样品：将石墨烯材料测试样品用模具加工成长方体状，0.5mm≤厚度≤1.0mm，所述测试样品尺寸对应不同测试频率制作要求如表1所示。表中各尺寸对应的波导框的位置如图4b所示。其中波导框的内部长度a和宽度b即为长方体状的石墨烯材料测试样品的长和宽。

对于石墨烯薄膜样品，可以直接裁剪成所需规格，在波导腔中进行测试；对于粉体的石墨烯样品，在制样时可将其分散在非磁性、低介电常数的粘结剂中，如常用的石蜡、环氧树脂、橡胶等，它们在微波频段的复介电常数随频率的变化很小；石墨烯粉体材料采取超声波制样，可以有效提高材料在基体相中的分散均匀度。为方便起见，在本实例中应用石蜡作为粘结剂，按3％质量填充比混合，加热融化，超声分散，冷却后切碎，在模具中将石墨烯粉体材料压制成所需规格。

2、测试系统校准

进行材料电磁参数测试要获取传输/反射系统的S参数(散射参数)，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两端口网络校准，以消除矢量网络分析仪内部以及收发天线的误差，得到微波信号透过被测材料组成的双端口网络的真实S参数。校准的具体过程为：

①设置校准件：在矢量网络分析仪的“Cal”菜单的子菜单“Cal kit”中选择“7mm”；

②设置校准步骤：在“Cal”菜单的子菜单“Cal menu”中选择“Full-2-port”；

③进行反射校准：将OPEN校准件连接在接端口1的同轴电缆测试端接头，在“Full-2-port”菜单的子菜单“Reflect”中选择“S11open”，仪器完成扫频测量后“S11open”选项下方出现下划线表示该校准步骤完成，以此类似完成“S11short”、“S11load”以及“S22open”、“S22short”和“S22load”，反射校准完成后“Reflect”项下方出现下划线；

④进行传输校准：连接两段同轴电缆测试端接头，选择“Full-2-port”菜单的子菜单“Transmission”项，等待至仪器完成扫频测量；

⑤进行隔离校准：在两段同轴电缆测试端接头分别连接任一个校准件，选择“Full-2-port”菜单的子菜单“Isolation”项，等待至仪器完成扫频测量。

3、测试样品装载

装载待测材料样品前，应仔细检查样品表面是否光滑、平整，若有微粒附着应及时清除。在夹具或样品上如有酒精或水，应吹干后再测。安装和拆卸样品时，注意不能用力过大，以免样品及夹具内外导体接头受到损伤变形。

装载同轴待测样品的具体步骤是：

①把样品小心地装在同轴测试夹具的内导体上；

②将夹具内导体的Female端与一侧同轴测试电缆上的Male型转接头相连；

③将其缓缓装入夹具外导体，并把夹具外导体与该侧的同轴电缆及其转接头相连；

④将夹具内外导体与另一侧的同轴电缆及其Female型转接头相连。此时应注意确保内导体的Male端正确接入Female型转接头，不能错位，并注意样品不应发生滑动；

对同轴与波导测试样品，还应注意以下方面：

①同轴测试样品：

当进行同轴样品电磁参数测量时，将按尺寸要求加工的圆环样件固定在内嵌式夹具中，如图3a和3b所示；然后，穿入空气导线，在空心塑料管的辅助下推进至同轴夹具内，空心塑料管外部标记刻度线，使得样品每次测试都能处在同样的位置。

②波导测试样品：

当进行波导样品电磁参数测量时，将按尺寸要求加工的长方形样块放置到内嵌式夹具中，如图4a和4b所示；然后，送入波导框内部，注意样品与波导内边框的密切配合连接，防止测试时微波不经样品而发生泄漏。

4、连接测试装置

在检查、清洁和连接电缆、转接头及夹具时，操作人员应该佩戴接地腕带，并在一个接地的导电桌垫上工作，使自己和所有设备接地，以防止静电对仪器和系统造成损坏。

将从矢量网路分析仪引出的两根测试电缆，即前述同轴输出电缆，分别连接至测试夹具的接头，拧紧固定时使用扭力扳手，以防止对连接部件的破坏。

5、测试数据采集

打开相应的测试软件，首先在不装载任何样品的条件下，以空腔状态进行测试，矢量网络分析仪记录所采集的数据；然后单独放置内嵌式夹具，矢量网路分析仪记录所采集的数据；在内嵌式夹具内放置石墨烯材料的样品，置于外夹具中，再通过矢量网络分析仪记录所采集的数据，至此获取到散射参数，还无法得到电磁参数；最后通过数据处理装置中编写的程序根据上述所采集的数据，自动计算、显示和保存石墨烯材料电磁参数的测试结果。石墨烯材料电磁参数计算依据公式(1)～(18)。

请参阅图5a和5b分别为根据本发明的聚四氟乙烯材料标准电磁参数测试中复介电常数和复磁导率的曲线图。请参阅图6a和6b分别为根据本发明的石墨烯材料的复介电常数和复磁导率测试的曲线图。聚四氟乙烯材料介质参数比较稳定(复介电实部2.08左右，复介电虚部0左右，复磁导率实部1.0左右，复磁导率虚部0左右)，微波测试领域常用作标准物质，以衡量测试系统的准确性。

综上所述，本发明所提供的系统和方法通过传输/反射法建立石墨烯材料电磁参数测量模型，以矢量网络分析仪为主机，附带测试电缆与测试夹具，搭建测试系统，获取石墨烯材料的散射参数。随后数据处理装置再参照测试样品在夹具内的安放位置，扣除内嵌式夹具的影响，依据微波传输理论及相位角的周期变化规律对S参数进行相位补偿，从而得到基于石墨烯材料测试面的散射参数。最后，根据石墨烯材料修正后的散射参数及介质特性，通过编写算法计算得到了石墨烯材料的复磁导率(μ_r)与复介电常数(ε_r)。本发明采用的同轴线传输与波导传输相结合的方式，实现了在1～40GHz的宽频段范围内对被测石墨烯材料电磁参数进行测量的目的。测试方法简单，测量频率范围较宽，可以快速获取石墨烯新型材料的电磁特性参数。同时，提出了超声波制样可以有效提高石墨烯材料在基体相中的分散均匀度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于，包括：

测试夹具，所述测试夹具包括外夹具以及置于所述外夹具中的内嵌式夹具，所述外夹具具有与矢量网络分析仪连接的反射测试端口和传输测试端口，所述内嵌式夹具用于夹持石墨烯材料测试样品；

矢量网络分析仪，用于测量外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数；

数据处理装置，用于对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。

2.根据权利要求1所述的石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述外夹具为同轴夹具，包括空心圆柱状的外导体和实心圆柱状的内导体，所述内导体和外导体同轴设置；

所述石墨烯材料的测试样品被加工成圆环样试件，所述圆环样试件的内径与所述内导体的外径匹配，所述圆环样试件的外径与所述外导体的内径匹配；

所述内嵌式夹具包括两块截面形状与所述圆环样试件相同的圆环样夹块，分别夹持在所述圆环样试件两侧后套设在所述实心圆柱状的内导体上，并置入所述外导体。

3.根据权利要求1所述的石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述外夹具为具有波导腔的波导框；

所述石墨烯材料的测试样品被加工成薄膜状试件，且所述薄膜状试件的长度和宽度均与所述波导腔的长度和宽度匹配；

所述内嵌式夹具包括两块截面形状与所述薄膜状试件相同的长方形夹块，分别夹持在所述薄膜状试件两侧后置入所述波导腔中。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述数据处理装置通过以下公式对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿：

S₁₁＝S_11mexp(2γ₀l)

S₂₁＝S_21mexp[γ₀(l_total-l)]

其中，S₁₁和S₂₁分别为石墨烯材料测试样品的入射端面和出射端面的散射参数，S_11m和S_21m分别为外夹具的反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数，l为石墨烯材料测试样品的厚度，l_total为反射测试端口和传输测试端口的端接面的距离，γ₀为空气的传播常数。

5.根据权利要求4所述的石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述数据处理装置中通过以下公式计算石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数：

其中γ＝-ln(T)/l，

γ₀为空气的传播常数，ε₀、μ₀分别为空气的介电常数和磁导率，j为虚数单位，Γ和T分别为反射和传输系数，l为试样厚度，ε_r＝ε_r＇-jε_r＂，μ_r＝μ_r＇-jμ_r＂分别为石墨烯材料测试样品的复介电常数和复磁导率；ω＝2πf为工作角频率。

6.根据权利要求5所述的石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于，所述数据处理装置中通过以下公式求解ln(T)：

将ln(T)用以下公式表示：

ln(T)＝ln(α+j*β)＝A+j*B＝A+j*B±2nπ；

式中n＝0、1、2…；

(1)在初始测试频率低时，将n取值为0；

(2)当测试频率升高时f_m+1＞f_m，如果则n＝n；若有则判断ln(1/T)的虚部发生了周期性的跳变，对虚部进行补偿，此时f_m+1及以后所有的频点对应的n＝n+1。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的石墨烯材料电磁参数测试系统，其特征在于：

所述内嵌式夹具采用聚四氟乙烯制成；和/或

所述内嵌式夹具的厚度为2mm～5mm。

8.一种石墨烯材料电磁参数测试方法，其特征在于，基于所述权利要求1～7中任一项所述的石墨烯材料电磁参数测试系统实现，所述方法包括：

1)加工石墨烯材料测试样品；

2)将矢量网络分析仪连接至空心的外夹具的反射测试端口和传输测试端口执行校准操作；

3)首先将矢量网络分析仪单独连接空心的外夹具并记录所采集的数据；随后将未夹持石墨烯材料测试样品的内嵌式夹具单独置入外夹具中，并连接矢量网络分析仪记录所采集的数据；最后将在内嵌式夹具中放入石墨烯材料测试样品，并置入外夹具中，并连接矢量网络分析仪记录所采集的数据；

4)矢量网络分析仪根据步骤3)记录的数据获得反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数；

5)数据处理装置根据内嵌式夹具的安放位置，对反射测试端口和传输测试端口的端接面的散射参数进行相位补偿，得到石墨烯材料测试样品端面的散射参数，并计算获得石墨烯材料的复磁导率和/或复介电常数。

9.根据权利要求8所述的石墨烯材料电磁参数测试方法，其特征在于：

所述步骤1)中将石墨烯粉体分散在粘结剂中，并通过超声波处理后在模具中加工成圆环样试件；且步骤2)和步骤3)中使用的外夹具为同轴夹具，内嵌式夹具为圆环样夹块；或者

所述步骤1)中将石墨烯薄膜加工成长方体状；且步骤2)和步骤3)中使用的外夹具为波导框，内嵌式夹具为长方形夹块。

10.一种石墨烯材料电磁参数测试夹具，其特征在于，包括：外夹具以及置于所述外夹具中的内嵌式夹具，所述外夹具具有与矢量网络分析仪连接的反射测试端口和传输测试端口，所述内嵌式夹具用于夹持石墨烯材料测试样品。