CN109580661A - 一种自由空间材料复反射系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波、毫米波测试技术领域，具体提供一种自由空间材料复反射系数测试方法；本发明基于自由空间终端短路测试系统，将置于金属短路板上的待测材料复反射系数的幅度和相位分开进行测量，来获得材料的复反射系数。待测材料复反射系数的幅度通过标量反射计直接测量得到；待测材料复反射系数的相位通过引入一已知复介电常数和厚度的标准样板，测量待测材料和标准样板级联后整体的复反射系数幅度，根据网络级联特性结合预设公式推导得到。本发明通过引入标准样板，实现了通过标量测量来推导矢量参数的功能，扩展了标量测试技术在自由空间终端短路测试系统中的应用，为减少测试系统成本提供了新的途径。

Description

一种自由空间材料复反射系数测试方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波测试技术领域，涉及材料复反射系数的测试，尤其是基于自由空间终端短路测试系统的复反射系数测试，具体为一种自由空间材料复反射系数测试方法。

背景技术

自由空间终端短路法是将微波天线作为电磁波收发装置，将待测材料置于金属短路板上，天线辐射的电磁波照射到待测材料上发生反射，反射波再被天线接收；根据测量的材料复反射系数来推导材料复介电常数。该方法具有非破坏、制样容易、测试建模简单等优点；对待测材料进行复反射系数测试(即复反射系数幅度和相位的测试)，是自由空间终端短路法的基础。

复反射系数一般通过矢量网络分析仪来进行测试，矢量网络分析仪不仅价格昂贵，而且组成模块较多，体积大，结构复杂，不易于便携式集成。标量网络分析仪或标量反射计由于不需要相位检测器，不管在成本还是系统复杂度上都要低于矢量网络分析仪，而且易于在便携式系统中进行集成。如何利用标量测试设备测量的幅度信息推导复反射系数的相位信息，是本领域研究的一个难题。

在文献《测量微波网络参数的标量检测矢量变换法》和《基于多状态技术的材料电磁参数测量系统的研制》中公开了一种通过测量标量信号推导矢量信号的方法；利用双魔T与两个功率检测器组成的多端口反射计，通过连接三个已知散射参数的二端口网络获得系统的本征变换系数，根据取样方程解得复反射系数；该方法需要三个已知散射参数的二端口网络作为校准标准，且测试系统及过程较为复杂。在文献《Using six-portreflectometer measureme nt of complex dielectric constant》和《Six-PortWaveguide Used for Simultaneously Measuri ng Permittivity and Permeability ofSolid Materials in the Microwave Region》中利用六端口技术实现了材料散射参数幅度和相位的提取，从而推导出材料复介电常数；但六端口模块结构复杂，需要多个功率计或检波器，同时需根据设计准则对六端口电路进行调整，费时费力，而且一个六端口系统价格也是很高的。

基于此，针对现有技术存在的不足，本发明提供一种自由空间材料复反射系数测试方法。

发明内容

本发明的目的在于在现有的自由空间终端短路测试系统中，利用低成本、小尺寸、结构简单的标量反射计代替矢量网络分析仪，利用标量测试实现对材料复反射系数的测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用微波电缆连接聚焦天线与标量反射计，在聚焦天线焦平面处放置金属短路板；

步骤2：以金属短路板上表面作为校准参考面，进行单端口校准；

步骤3：将待测材料置于金属短路板上，利用标量反射计测得待测材料复反射系数的幅度|Γ_L|，Γ_L为待测材料的复反射系数；

步骤4：将标准样板置于待测材料上，利用标量反射计测得待测材料和标准样板整体的复反射系数的幅度|Γ₀|，Γ₀为待测材料和标准样板整体的复反射系数；

步骤5：计算待测材料复反射系数的相位：

A＝2|S₁₁||S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂||Γ_L|

B＝2|S₂₂||Γ₀|²|Γ_L|

C＝|Γ₀|²+|S₂₂|²|Γ₀|²|Γ_L|²-|S₁₁|²-|S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂|²|Γ_L|²

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为标准样板的二端口散射参数，α为S₁₁ ^*(S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂)的相位(“*”表示取共轭)，β为S₂₂的相位；

求解上式得待测材料的复反射系数Γ_L的相位在-π和π之间的两个根，若两个根相等，则该解为相位的真实值；否则，进一步判断：

在测试频段内，得到两组根随频率变化的曲线，每一曲线包含至少一条曲线段，取斜率为负的曲线段对应的根为相位的真实值。

进一步的，所述步骤1中，金属短路板横向尺寸大于3倍波束3dB焦斑，以减小边缘效应。

所述步骤2中，单端口校准采用SOL(Short-Open-Load)校准。

所述步骤3中，待测材料为非磁性介质材料，横向尺寸与金属短路板相同；为避免相位畸变，其厚度不超过最高测试频率对应波长的四分之一，相对介电常数范围为：1～10，损耗角正切范围为：0.0002～0.1。

所述步骤4中，标准样板表面平整，厚度一致，与待测材料紧贴，横向尺寸与金属短路板相同；标准样板相对复介电常数和厚度为已知，其相对介电常数选取范围为：2～4，损耗角正切选取范围为：0.0002～0.01，厚度不超过最高测试频率对应波长的八分之一；标准样板可采用熔融石英、聚四氟乙烯等材料。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种自由空间材料复反射系数测试方法，通过在待测材料上放置标准样板，利用放置标准样板前后测得的复反射系数的幅度即可推导出待测材料的真实复反射系数，实现标量测试推导矢量参数的功能，避免了自由空间终端短路测试系统中矢量网络分析仪的购入，降低了系统成本；同时，本发明操作方便，测试精度较高。

附图说明

图1为本发明实施例中自由空间终端短路测试系统配置图；

图2为本发明实施例中单端口校准示意图；

图3为本发明实施例中测试待测材料复反射系数的幅度时待测材料位置示意图；

图4为本发明实施例中测试待测材料和标准样板整体复反射系数的幅度时待测材料和标准样板位置示意图；

图5为本发明实施例中两组随频率变化的曲线图；

其中，1为标量反射计，2为微波电缆，3为聚焦天线，4为标准样板，5为待测材料，6为金属短路板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种自由空间材料复反射系数测试方法，该方法基于自由空间终端短路测试系统实现，如图1所示为自由空间终端短路测试系统配置图，主要测试仪器为标量反射计1，其测试端口通过微波电缆2连接聚焦天线3；在聚焦天线焦平面处放置金属短路板6，待测材料5置于金属短路板上，标准样板4置于待测材料上。

本发明自由空间材料复反射系数测试的具体步骤如下：

步骤1：利用微波电缆连接聚焦天线与标量反射计，在聚焦天线焦平面处放置金属短路板，金属短路板横向尺寸大于3倍波束3dB焦斑，本实例测试频段设置为8～12GHz；

步骤2：以金属短路板上表面作为校准参考面，进行单端口校准，如图2所示；校准采用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)将聚焦天线朝向自由空间或吸波材料，标量反射计进行负载匹配测量；

2)固定聚焦天线，将金属短路板置于聚焦天线焦平面处，标量反射计进行短路反射测量；

3)保持聚焦天线不动，将金属短路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，标量反射计进行开路反射测量；

步骤3：将横向尺寸与金属短路板相同的待测材料置于金属短路板上，如图3所示，利用标量反射计测得待测材料在测试频段内的复反射系数幅度|Γ_L|，Γ_L为待测材料的复反射系数；为避免相位畸变，待测材料厚度不超过最高测试频率对应波长的四分之一，相对介电常数范围为：1～10，损耗角正切范围为：0.0002～0.1(需要说明的是，待测材料的相对介电常数范围及损耗角正切范围通常在材料出厂时能够大致知道，而本发明需要做的是实现真实值的精确测试)；本实例以厚度为6mm的玻璃钢平板(相对介电常数ε’_r＝5.5，损耗角正切tanδ＝0.05)作为待测材料；

步骤4：将横向尺寸与金属短路板相同的标准样板置于待测材料上，如图4所示，利用标量反射计测得待测材料和标准样板整体的复反射系数的幅度|Γ₀|，Γ₀为待测材料和标准样板整体的复反射系数；标准样板相对介电常数选取范围为：2～4，损耗角正切选取范围为：0.0002～0.01，厚度不超过最高测试频率对应波长的八分之一；本实例以厚度为3mm的熔融石英平板(相对介电常数ε’_r＝3.7，损耗角正切tanδ＝0.0005)作为标准样板；

步骤5：求解待测材料复反射系数的相位：

根据待测材料和标准样板的网络级联特性，运用公式：

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为标准样板的二端口散射参数；对于均质标准样板，有S₁₁＝S₂₂，S₂₁＝S₁₂；S₁₁和S₂₁可由如下关系进行推导：

其中，Γ为空气和标准样板分界面处的复反射系数，T为标准样板内的传输系数，ε_r和d为标准样板的相对复介电常数和厚度，λ为自由空间波长。

对式(1)等号两边取模再平方，有

将式(4)展开，可变换为如下形式

A＝2|S₁₁||S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂||Γ_L| (6)

B＝2|S₂₂||Γ₀|²|Γ_L| (7)

C＝|Γ₀|²+|S₂₂|²|Γ₀|²|Γ_L|²-|S₁₁|²-|S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂|²|Γ_L ² (8)

其中，α为S₁₁ ^*(S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂)的相位(“*”表示取共轭)，β为S₂₂的相位，为Γ_L的相位；

由于标准样板的ε_r和d已知，|Γ_L|、|Γ₀|已通过测试获得，则根据式(2)，式(3)及式(6)～(8)，A、B、C、α、β也已知，求解式(5)即可得到Γ_L的相位

由于式(5)为三角函数的求解，解出的在-π和π之间存在两个根，需通过下述判断确定真实值：(1)若两个根相等，则该解为真实值；(2)若两个根不等，则需结合每个根随频率变化的曲线来确定：如图5所示，在频段8～12GHz内，求出的两组根随频率变化的曲线分别为和除开相位从-π跳变到π(或从π跳变到-π)的情况，包含2条曲线段，包含4条曲线段，在这些曲线段内，斜率为负的曲线段对应的值为真实值；在本实例中，在频段8～11.3GHz内，取在11.3～12GHz内，取

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用微波电缆连接聚焦天线与标量反射计，在聚焦天线焦平面处放置金属短路板；

步骤2：以金属短路板上表面作为校准参考面，进行单端口校准；

步骤3：将待测材料置于金属短路板上，利用标量反射计测得待测材料复反射系数的幅度|Γ_L|，Γ_L为待测材料的复反射系数；

步骤4：将标准样板置于待测材料上，利用标量反射计测得待测材料和标准样板整体的复反射系数的幅度|Γ₀|，Γ₀为待测材料和标准样板整体的复反射系数；

步骤5：计算待测材料复反射系数的相位：

A＝2|S₁₁||S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂||Γ_L|

B＝2|S₂₂||Γ₀|²|Γ_L|

C＝|Γ₀|²+|S₂₂|²|Γ₀|²|Γ_L|²-|S₁₁|²-|S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂|²|Γ_L|²

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为标准样板的二端口散射参数，α为S₁₁ ^*(S₁₂S₂₁-S₁₁S₂₂)的相位、“*”表示取共轭，β为S₂₂的相位；

求解上式得待测材料的复反射系数Γ_L的相位在-π和π之间的两个根，若两个根相等，则该解为相位的真实值；否则，进一步判断：

在测试频段内，得到两组根随频率变化的曲线，每一曲线包含至少一条曲线段，取斜率为负的曲线段对应的根为相位的真实值。

2.按权利要求1所述自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，所述步骤1中，金属短路板横向尺寸大于3倍波束3dB焦斑。

3.按权利要求1所述自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，所述步骤2中，单端口校准采用SOL(Short-Open-Load)校准。

4.按权利要求1所述自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，所述步骤3中，待测材料的横向尺寸与金属短路板相同，且厚度不超过最高测试频率对应波长的四分之一。

5.按权利要求1所述自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，所述步骤4中，标准样板表面平整，与待测材料紧贴，横向尺寸与金属短路板相同，厚度不超过最高测试频率对应波长的八分之一。

6.按权利要求1所述自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，所述步骤3中，待测材料的相对介电常数选取范围为：1～10，损耗角正切选取范围为：0.0002～0.1。

7.按权利要求1所述自由空间材料复反射系数测试方法，其特征在于，所述步骤4中，标准样板的相对介电常数选取范围为：2～4，损耗角正切选取范围为：0.0002～0.01。