CN110780124B - 一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法。其中，该装置包括加热模块；双路微波信号源；太赫兹收发模块，用于产生太赫兹发射信号和太赫兹本振信号，接收待测材料反射信号并与本振微波信号混频产生测试中频信号，及将太赫兹射频微波信号直接与本振微波信号混频产生参考中频信号；信号处理模块，用于接收负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下对应的测试中频信号和参考中频信号，进而得到对应的反射系数测量值；根据反射系数测量值、反射系数理论值与方向性误差、频率响应误差和源失配误差的关系，求解方向性误差、频率响应误差和源失配误差，进而再根据一维距离像估计待测材料厚度，求解出待测材料的介电特性。

Description

一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法

技术领域

本公开属于介电特性测量领域，尤其涉及一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着航空航天、遥感通信、雷达导航等各领域技术的发展，越来越多的器部件工作在太赫兹频段(100GHz～3THz)，在很多应用场景中，构成这些器部件的材料会工作在很高的温度环境下，而材料在高温条件下的电磁参数是呈现非线性变化，它们的变化规律很难掌握。在实际应用中，如何准确测试出这些材料在高温环境下的介电特性参数(复相对介电常数)对于其应用是至关重要的。

在高温条件下，材料的电磁参数测试方法是很多的，有传输反射法、自由空间法、谐振腔法等，每种方法都有其不同的优缺点，而自由空间法中的单反射法(包括短路反射法和双站反射法)具有测试简单易操作、系统误差少、加热方便等优点，因而在高温环境材料介电特性测试领域得到较多的应用。在高温环境测试条件下，待测材料和校准用金属板的形变会引起待测材料厚度和校准过程的不确定性，使得现有自由空间单反射法测量结果误差较大；另外，发明人发现，现有方法需要已知待测材料的大体介电特性参数，为其精确数值求解提供初始迭代值，然而在很多情况下，特别是高温情况下，待测材料的介电特性参数很难查询，如果设置的初始迭代值与理论值相差很多，就会增加数值求解的迭代过程，甚至无法求解出准确值。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提供一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置及方法，其在高温环境下通过高分辨率一维距离像实时测试待测材料的实际厚度，以及开路校准和短路校准也均在高温环境下进行，这样就有效解决了待测材料和金属板受热形变引起的介电特性测量误差问题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开的第一个方面提供一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其包括：

加热模块，其用于对待测材料及金属板进行加热，待测材料设置在金属板上且覆盖金属板部分区域；

双路微波信号源，其用于生成太赫兹射频微波信号和本振微波信号；

太赫兹收发模块，其用于分别对太赫兹射频微波信号和本振微波信号经倍频及放大后对应产生太赫兹发射信号和太赫兹本振信号，接收待测材料反射信号并与本振微波信号混频产生测试中频信号，及将太赫兹射频微波信号直接与本振微波信号混频产生参考中频信号；

信号处理模块，其用于接收负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下对应的测试中频信号和参考中频信号，进而得到对应的反射系数测量值；根据反射系数测量值、反射系数理论值与方向性误差、频率响应误差和源失配误差的关系，求解方向性误差、频率响应误差和源失配误差这三项校准误差，进而再根据一维距离像估计待测材料厚度，求解出待测材料的介电特性，即复相对介电常数。

本公开的第二个方面提供一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置的测量方法，其包括：

步骤1：将双路微波信号源产生的太赫兹射频微波信号和本振微波信号，照扫频设置指令进行对应设置，扫频点数要求满足4*d*B/c，其中d表示太赫兹天线到待测材料的距离，c表示电磁波在空气中的传播速度，B为扫频的带宽；

步骤2：扫频设置成功后，在未加热情况下，将已知吸波材料放置于聚焦透镜天线前方，进行负载校准测试；

步骤3：将待测材料放置于金属板，将金属板升降到聚焦透镜天线的焦距位置处；

步骤4：将金属板及待测材料加热到指定温度下；

步骤5：将聚焦透镜天线的波束对准未被待测材料覆盖的金属板区域，进行短路校准测试；

步骤6：将金属板下降太赫兹射频微波信号的八分之一个波长，进行开路校准测试；

步骤7：将金属板上升太赫兹射频微波信号的八分之一个波长，将聚焦透镜天线的波束对准待测材料，进行待测材料数据测试；

步骤8：分别得到在负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下的反射系数测量值，根据下列公式将三组校准数据联立求解三个方程，获得三项校准误差，分别为方向性误差E_D、频率响应误差E_RT和源失配误差E_s：

其中，M表示反射系数测量值；S_11A表示反射系数理论值；在负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下反射系数理论值分别为0、1和-1；

步骤9：根据一维距离像估计待测材料厚度，并调用步骤8计算得到的三项校准误差，求解待测材料的介电特性，即复相对介电常数ε_r。

本公开的有益效果是：

本公开可实现材料在高温环境下太赫兹宽频段介电特性的快速测量，由于开路校准和短路校准在高温环境下进行，以及在高温环境下通过高分辨一维距离像实时测量待测材料的厚度，这样就可以有效降低待测材料和金属板受热形变引起的测试误差，提高材料介电特性测量精度；根据高分辨一维距离像估计的待测材料电厚度和实际厚度，可以粗略估计出待测材料的复介电常数实部，有利于实现材料复介电常数在数值求解过程中的快速迭代收敛，实现待测材料的黑盒测试。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置结构示意图。

其中，1-双路微波信号源；2-太赫兹收发模块；3-信号处理模块；4-太赫兹聚焦透镜天线；5-平面扫描架；6-加热模块；7-升降平台；8-透波隔热罩；9-太赫兹天线；10-聚焦透镜；11-待测材料；12-金属板；13-扫描架运动装置；14-扫描架控制器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，本实施例的一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其包括：

加热模块6，其用于对待测材料11及金属板12进行加热，待测材料11设置在金属板12上且覆盖金属板部分区域；

双路微波信号源1，其用于生成太赫兹射频微波信号和本振微波信号；

太赫兹收发模块2，其用于分别对太赫兹射频微波信号和本振微波信号经倍频及放大后对应产生太赫兹发射信号和太赫兹本振信号，接收待测材料反射信号并与本振微波信号混频产生测试中频信号，及将太赫兹射频微波信号直接与本振微波信号混频产生参考中频信号；

信号处理模块3，其用于接收负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下对应的测试中频信号和参考中频信号，进而得到对应的反射系数测量值；根据反射系数测量值、反射系数理论值与方向性误差、频率响应误差和源失配误差的关系，求解方向性误差、频率响应误差和源失配误差这三项校准误差，进而再根据一维距离像估计待测材料厚度，求解出待测材料的介电特性，即复相对介电常数。

在具体实施中，所述待测材料11及金属板12设置在透波隔热罩8内。

其中，透波隔热罩8用于防止热量扩散和避免待测材料在高温环境下氧化，其罩体上方为耐高温的透波材料，同时在罩子上方留有透过窗，以确保太赫兹信号的有效传输。

具体地，所述太赫兹收发模块2与太赫兹聚焦透镜天线4相连；所述太赫兹收发模块产生的太赫兹发射信号经太赫兹聚焦透镜天线向待测材料发送太赫兹发射信号。

如图1所示，太赫兹聚焦透镜天线4包括太赫兹天线9和聚焦透镜10，所述太赫兹天线9与太赫兹收发模块2相连；聚焦透镜10设置于太赫兹天线9与待测材料11之间。

作为一种实施方式，所述太赫兹聚焦透镜天线与待测材料之间的距离可调。

其中，太赫兹聚焦透镜天线用于实现太赫兹发射信号的辐射和接收，通过设置透镜到待测材料的距离，可以实现太赫兹发射信号波束在待测材料表面的聚焦，聚焦光斑直径在波长数量级。

所述太赫兹收发模块2与太赫兹聚焦透镜天线4均与平面扫描架5相连，平面扫描架5用于实现太赫兹收发模块和太赫兹聚焦透镜天线的二维平面运动，可在扫描范围内进行任意位置到位操作；

在具体实施中，平面扫描架5包括：

扫描架运动装置13，用于固定太赫兹收发模块和聚焦透镜天线，并通过机械传动完成指定位置的到位操作；

扫描架控制器14，用于接收信号处理模块3发出的到位指令，控制扫描架运动装置进行到位操作。

具体地，所述加热模块6设置在升降平台7上。

加热模块，用于实现待测材料的加热和降温操作；

升降平台用于实现待测样品的升降，一方面用于调节聚焦透镜天线的聚焦距离，另一方面用于实现待测材料的校准测试；

上述方案中，所述升降平台的控制方式包括：

通过手动方式控制升降平台，按照升降平台指示刻度进行精细升降调节；

或者，通过电动方式控制升降平台，按照设置的高度位置信息进行升降。

在具体实施中，加热模块包括温度控制器和加热元件；加热模块的升温操作是通过信号处理模块发出温控指令，温度控制器对加热元件进行控制，实现待测材料的升温操作。

在具体实施中，所述太赫兹收发模块包括：

太赫兹发射通道，用于将射频微波信号经倍频和放大后产生太赫兹发射信号；

波导定向耦合器，用于实现太赫兹发射信号的直通并耦合输出太赫兹参考信号，以及实现待测材料反射信号的接收；

双路太赫兹接收通道，用于将本振微波信号经倍频和放大后产生两路太赫兹本振信号，一路太赫兹本振信号与太赫兹参考信号经谐波混频器下混频处理获得参考中频信号，另一路太赫兹本振信号与接收到的待测材料反射信号经谐波混频器下混频处理获得测试中频信号。

作为一种实施方式，所述太赫兹聚焦透镜天线包括：

太赫兹天线，用于辐射太赫兹发射信号和接收待测材料反射信号；

聚焦透镜，用于实现太赫兹发射信号波束的汇聚，聚焦的光斑直径达到波长数量级。

上述方案中，所述双路微波信号源的信号产生方法包括：

采用矢量网络分析仪等通用测试仪器，产生点频或步进频连续波微波信号；

或者，采用直接模拟频率合成技术，产生调频连续波微波信号；

或者，采用直接数字频率合成技术，产生调频连续波微波信号。

上述方案中，所述信号处理模块包括：

高速率AD采样卡，用于实现测试中频信号和参考中频信号的采集；

FPGA实时处理板，用于对测试中频信号和参考中频信号的数字下变频、滤波和抽取操作，得到测试数字信号和参考数字信号，再计算测试数字信号与参考数字信号的比值，根据计算的比值解调出反射系数测量值；

中央处理器，其用于控制整个高温环境太赫兹材料介电特性测量装置的数据采集，并根据反射系数测量值、反射系数理论值与方向性误差、频率响应误差和源失配误差的关系，求解方向性误差、频率响应误差和源失配误差这三项校准误差，进而再根据一维距离像估计待测材料厚度，求解出待测材料的介电特性，即复相对介电常数。

在另一实施例中，所述处理信号处理模块还与显示模块相连，所述显示模块用于显示求解出待测材料的介电特性，即复相对介电常数。

在本实施例中，显示模块为显示屏。

需要说明的是，显示屏可为LCD显示屏或其他形式的显示屏，本领域技术人员可根据实际情况来具体设置。

本实施例的一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置的测量方法，包括：

步骤1：将双路微波信号源产生的太赫兹射频微波信号和本振微波信号，照扫频设置指令进行对应设置，扫频点数要求满足4*d*B/c，其中d表示太赫兹天线到待测材料的距离，c表示电磁波在空气中的传播速度，B为扫频的带宽；

步骤2：扫频设置成功后，在未加热情况下，将已知吸波材料放置于聚焦透镜天线前方，进行负载校准测试；

步骤3：将待测材料放置于金属板，将金属板升降到聚焦透镜天线的焦距位置处；

步骤4：将金属板及待测材料加热到指定温度下；

步骤5：将聚焦透镜天线的波束对准未被待测材料覆盖的金属板区域，进行短路校准测试；

步骤6：将金属板下降太赫兹射频微波信号的八分之一个波长，进行开路校准测试；

步骤7：将金属板上升太赫兹射频微波信号的八分之一个波长，将聚焦透镜天线的波束对准待测材料，进行待测材料数据测试；

步骤8：分别得到在负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下的反射系数测量值，根据下列公式将三组校准数据联立求解三个方程，获得三项校准误差，分别为方向性误差E_D、频率响应误差E_RT和源失配误差E_s：

其中，M表示反射系数测量值；S_11A表示反射系数理论值；在负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下反射系数理论值分别为0、1和-1；

步骤9：根据一维距离像估计待测材料厚度，并调用步骤8计算得到的三项校准误差，求解待测材料的介电特性，即复相对介电常数ε_r。

具体地，求解待测材料的介电特性的过程为：

步骤9-1：利用方向性误差、频率响应误差和源失配误差这三项校准误差和待测材料测试数据，按照公式

计算待测材料的理论反射系数S_11A；

步骤9-2：分别对短路校准数据和待测材料测试数据进行数据插值，然后对插值后的数据进行傅里叶变换生成高分辨率一维距离像，然后在高分辨一维距离像中分别找到待测材料前表面和短路校准金属板表面对应的波峰，两波峰对应的距离即为待测材料实际厚度L；

步骤9-3：根据高分辨一维距离像中待测材料的前表面和后表面对应的峰值，计算待测材料的电厚度L_d，然后估计待测材料的复相对介电常数的实部real(ε_r)＝L_d/L，其中，real表示复数的实部；

步骤9-4：根据步骤9-3估计的待测材料复介电常数实部设置初始迭代值，然后根据下列公式采用数值计算方法求解待测材料的复相对介电常数ε_r：

其中，tanh表示双曲正切函数，γ₀表示空气中的传播常数。

相比于传统高温环境下材料介电特性测量装置，本发明在高温环境下进行开路校准和短路校准，并采用高分辨一维距离像实现待测材料实时厚度检测，有效解决了待测材料受热形变引起的介电特性测量误差问题；此外，本发明根据高分辨一维距离像估计的待测材料电厚度和实际厚度，计算得到待测材料介电特性参数的粗略估计值，有利于实现材料介电特性参数在数值求解过程中的快速迭代收敛，实现待测材料的黑盒测试；再就是，本发明通过透镜实现了太赫兹波束的汇聚，通过移动聚焦透镜天线就可以实现对金属板的校准测试和待测材料反射信号测试，有效提高测试效率。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，包括：

加热模块，其用于对待测材料及金属板进行加热，待测材料设置在金属板上且覆盖金属板部分区域；

双路微波信号源，其用于生成太赫兹射频微波信号和本振微波信号；

太赫兹收发模块，其用于分别对太赫兹射频微波信号和本振微波信号经倍频及放大后对应产生太赫兹发射信号和太赫兹本振信号，接收待测材料反射信号并与本振微波信号混频产生测试中频信号，及将太赫兹射频微波信号直接与本振微波信号混频产生参考中频信号；

信号处理模块，其用于接收负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下对应的测试中频信号和参考中频信号，进而得到对应的反射系数测量值；根据反射系数测量值、反射系数理论值与方向性误差、频率响应误差和源失配误差的关系，求解方向性误差、频率响应误差和源失配误差这三项校准误差，进而再根据一维距离像估计待测材料厚度，求解出待测材料的介电特性，即复相对介电常数。

2.如权利要求1所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述待测材料及金属板设置在透波隔热罩内。

3.如权利要求1所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述太赫兹收发模块与太赫兹聚焦透镜天线相连；所述太赫兹收发模块产生的太赫兹发射信号经太赫兹聚焦透镜天线向待测材料发送太赫兹发射信号。

4.如权利要求3所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述太赫兹聚焦透镜天线与待测材料之间的距离可调。

5.如权利要求1所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述太赫兹收发模块与太赫兹聚焦透镜天线均与平面扫描架相连，平面扫描架用于实现太赫兹收发模块和太赫兹聚焦透镜天线的二维平面运动，可在扫描范围内进行任意位置到位操作。

6.如权利要求1所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述加热模块设置在升降平台上。

7.如权利要求1所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述太赫兹收发模块包括：

太赫兹发射通道，用于将射频微波信号经倍频和放大后产生太赫兹发射信号；

波导定向耦合器，用于实现太赫兹发射信号的直通并耦合输出太赫兹参考信号，以及实现待测材料反射信号的接收；

双路太赫兹接收通道，用于将本振微波信号经倍频和放大后产生两路太赫兹本振信号，一路太赫兹本振信号与太赫兹参考信号经谐波混频器下混频处理获得参考中频信号，另一路太赫兹本振信号与接收到的待测材料反射信号经谐波混频器下混频处理获得测试中频信号。

8.如权利要求3所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置，其特征在于，所述太赫兹聚焦透镜天线包括：

太赫兹天线，用于辐射太赫兹发射信号和接收待测材料反射信号；

聚焦透镜，用于实现太赫兹发射信号波束的汇聚，聚焦的光斑直径达到波长数量级。

9.一种如权利要求1-8中任一所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：将双路微波信号源产生的太赫兹射频微波信号和本振微波信号，照扫频设置指令进行对应设置，扫频点数要求满足4*d*B/c，其中d表示太赫兹天线到待测材料的距离，c表示电磁波在空气中的传播速度，B为扫频的带宽；

步骤2：扫频设置成功后，在未加热情况下，将已知吸波材料放置于聚焦透镜天线前方，进行负载校准测试；

步骤3：将待测材料放置于金属板，将金属板升降到聚焦透镜天线的焦距位置处；

步骤4：将金属板及待测材料加热到指定温度下；

步骤5：将聚焦透镜天线的波束对准未被待测材料覆盖的金属板区域，进行短路校准测试；

步骤6：将金属板下降太赫兹射频微波信号的八分之一个波长，进行开路校准测试；

步骤7：将金属板上升太赫兹射频微波信号的八分之一个波长，将聚焦透镜天线的波束对准待测材料，进行待测材料数据测试；

步骤8：分别得到在负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下的反射系数测量值，根据下列公式将三组校准数据联立求解三个方程，获得三项校准误差，分别为方向性误差E_D、频率响应误差E_RT和源失配误差E_s：

其中，M表示反射系数测量值；S_11A表示反射系数理论值；在负载校准测试、开路校准测试和短路校准测试情况下反射系数理论值分别为0、1和-1；

步骤9：根据一维距离像估计待测材料厚度，并调用步骤8计算得到的三项校准误差，求解待测材料的介电特性，即复相对介电常数ε_r。

10.如权利要求9所述的高温环境太赫兹材料介电特性测量装置的测量方法，其特征在于，求解待测材料的介电特性的过程为：

步骤9-1：利用方向性误差、频率响应误差和源失配误差这三项校准误差和待测材料测试数据，按照公式

计算待测材料的理论反射系数S_11A；

步骤9-2：分别对短路校准数据和待测材料测试数据进行数据插值，然后对插值后的数据进行傅里叶变换生成高分辨率一维距离像，然后在高分辨一维距离像中分别找到待测材料前表面和短路校准金属板表面对应的波峰，两波峰对应的距离即为待测材料实际厚度L；

步骤9-3：根据高分辨一维距离像中待测材料的前表面和后表面对应的峰值，计算待测材料的电厚度L_d，然后估计待测材料的复相对介电常数的实部real(ε_r)＝L_d/L，其中，real表示复数的实部；

步骤9-4：根据步骤9-3估计的待测材料复介电常数实部设置初始迭代值，然后根据下列公式采用数值计算方法求解待测材料的复相对介电常数ε_r：

其中，tanh表示双曲正切函数，γ₀表示空气中的传播常数。

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