CN112782485A - 一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法、系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波测量技术领域，公开了一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法、系统及应用，对试验平台进行设计与搭建使其满足平面波条件；对待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。本发明具有多频段覆盖、材料制作简单以及不会破坏材料原始状态的优势，且对实验室条件及样品限制较低，具有很强的适用性。本发明具有较高的自由度，且克服了谐振腔法只能单点测量的缺点，实现了大范围多频段扫描。
Description
技术领域
本发明属于微波测量技术领域，尤其涉及一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法、系统及应用。
背景技术
目前：介电常数作为物质的特有属性，因其反映了电磁波与物质之间的相互作用，在电磁学领域中往往作为区分目标特性的重要参考依据。此外，各种散射反演模型大都是基于介电常数建立的，并以其作为输入参量，反演得出地物的包括厚度、含水量等重要特性。
目前介电常数主要通过两种方法获得。一是通过理论模型计算得到，利用物质的介电常数与温度、湿度、频率的经验关系，测得上述参数即可直接计算得到相应条件下的物质介电常数，但是大多数经验模型只适用于特定条件下，因而在实际使用中往往存在很大的局限性。二是通过实验测量得到，利用介电常数不同时，不同测试材料对电磁波的反射传输特性不同，测量出相应的参数，再由反演公式便能计算出物质的介电常数。
实验测量方法主要包括谐振腔法、传输线法、网络参数法等，谐振腔法先将待测材料放入谐振腔中，观察记录样品放入前后的谐振腔谐振频率和品质因数Q值，从而可以计算出材料的复介电常数，但是由于该方法只能用于单频点，因此在频带方面有较大限制。同轴线探针法虽然能够实现频段扫频测量，但是其仅适用于内部均匀的液体物质，且其测量的介电常数只能代表样品小范围内的特性，并不能包括整体。传输线法通过将样品置于适当位置构成双端口网络，测量网络S参数得出其电磁参数，该方法对加工材料工艺精度有所要求，且对低损耗介质反应不灵敏。网络参数法是先测量出待测介质的网络传输参数，再经过一定的算法得到介质材料的介电参数。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有实验测量方法如谐振腔法只能用于单频点，在频带方面有较大限制，对低损耗介质反应不灵敏。值得注意的是，对介电参数进行测量难免会存在系统误差。传统测量方法由于两天线成镜像摆放且存在一定的入射角度，因此当电磁波到达待测样品表面时，并不能严格满足理想的平面波条件，且两天线之间存在一定耦合效应，在样品边缘处会产生边缘绕射和多次散射。
解决以上问题及缺陷的难度为：为解决上述问题，主要有以下难点：减小系统误差，消除边缘绕射以及天线耦合的影响。
解决以上问题及缺陷的意义为：使测试系统满足平面波条件，消除边缘绕射以及天线旁瓣耦合，可有效减小系统误差，提高测量精度使反演更准确。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法、系统及应用。
本发明是这样实现的，一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法，所述混合固体颗粒物质介电常数测量方法包括：
对试验平台进行设计与搭建满足平面波条件；使得天线到样品距离大于远场距离，并设置较小入射角度，使得当电磁波到达待测样品表面时，能严格满足理想的平面波条件，同时消除天线之间的耦合效应。
待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；混合颗粒物质样品的制作最终影响到反演算法的正确性，增大面积，能够有效消除边缘绕射。
对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；用已知反射系数的金属板定标数据作为系统的修正量。
对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；反演方法基于菲涅尔公式得出介质复介电常数，由水平极化下和垂直极化下的散射参数得出菲涅尔反射系数之比。
对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
进一步，所述混合固体颗粒物质介电常数测量方法搭建试验场地，将发射天线和接收天线分别与矢量网络分析仪的两个端口相连，测量介质材料的散射参数的振幅和相位再反演得出其复介电常数；测试场地布置和待测材料需要满足四个测量条件：平面波条件、样品表面无限大、样品表面无限厚和样品表面光滑；
满足平面波条件：菲涅尔反射定律要求入射到介质表面的电磁波为平面波或近似平面波，根据天线的远近场判别公式，当待测材料处于天线发射场的远场区域时，照射到材料表面的电磁波便可以视为平面波，天线与目标的距离L、天线最大口径D以及电磁波波长λ有如下判别式：
对于喇叭天线，天线最大口径D即为其长轴大小；根据天线参数，得出其不同频率下的平面波条件，根据工作频率范围两者距离只要大于22GHz时的1.617m；
实验室布置应该如下：在测试区域底部放置吸波泡沫板，泡沫板上放置测试样品，两个天线支架置于待测样品的两侧，收发天线分别安装在可调节高度和入射角度的两个天线支架上，通过调节天线支架的高度和角度，使得两个天线关于待测样品成镜像，且满足入射角等于反射角，再将收发天线分别与矢量网络分析仪的两个端口相连。
进一步，准备待测材料：选择金属钢珠和橄榄石颗粒作为原材料并按照体积比1：3和1：4混合；
(1)样品表面无限大：样品表面的大小可根据Kirchhoff积分公式确定，它是天线到待测样品的距离、喇叭天线增益、方向图以及入射角的函数，并反映了局部菲涅尔反射系数，当Fresnel带个数N＞10时，认为样品面积是无限大的，根据菲涅尔周线的长轴a和短轴b：
其中，
λ为入射电磁波波长，h为样品到天线的竖直距离，L为样品到天线的水平距离；
(2)样品表面无限厚：衰减系数Γ和介电常数如下：
当电磁波以θ为入射角入射到介质表面时，介质厚度最小满足：
因用10+0.1j代表橄榄石介电常数，80+20j代表金属介电常数，分别代入上式预估；
(3)样品表面光滑：根据实验可知，样品表面只要满足基尔霍夫模型KAM和小扰动模型SPM运用菲涅尔定律进行反演：
其中，k＝2π/λ是波数，s是表面均方根高度，l是表面相关长度。
进一步，金属板双极化定标：首先在测试区域放置与测试样品大小相同且反射系数为已知Rc V＝-Rc H＝1的金属板，通过转动喇叭天线方向来调整不同极化方式，具体有收发天线都为水平极化和垂直极化，分别测量其散射参数
和
进一步，开展待测材料测量：完成金属板定标后，不移动天线，不改变传输路径，保持测试现场状态与定标时候一致，将准备好的待测材料放置于测试区域，同样通过转动喇叭天线方向来调整不同极化方式，具体有收发天线都为水平极化和垂直极化，分别测量其散射参数S21V和S21H。
进一步，对测量数据进行反演计算得出复介电常数：根据菲涅尔反射定律，介质的反射系数与介电常数有如下的关系，根据反射系数来反演得出其介电常数：
其中，εr＝ε′r-jε″r为介质复介电常数，由上式可知其只与反射系数RH、RV入射角θ有关，由矢量网络分析仪获得的是网络参数S21的相位信息和幅度信息，幅值反映网络增益的大小，相位反映电磁波通过整个系统后的延迟；通常有如下关系式：
A为整个测试系统的比例系数，比例系数与样品表面粗糙度、电磁波传播路径长度以及测试仪器内部参数有关，所以在同一个测试系统中A是不变的。通过测量出的S21H和S21V得到RH和RV。
进一步包括：
(1)处理上面获得的金属板定标数据，利用已知的金属板反射系数关系Rc V＝-Rc H＝1，并且引入相位中心偏移误差δ，则金属板定标中获得的垂直极化波与水平极化波散射参数之比为：
(2)因为测量过程中保持了测试系统状态始终不变，即比例系数A不变，对样品数据做相同处理，则样品测量中获得的垂直极化波与水平极化波散射参数之比为：
解出介电常数反演公式：
其中，
即为实验得出的测试样品和定标金属板不同极化下网络参数的比值，测出垂直极化和水平极化下的端口S参数和入射角θ，结合反演公式得出介质材料的介电常数。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
对试验平台进行设计与搭建满足平面波条件；
待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述混合固体颗粒物质介电常数测量方法的混合固体颗粒物质介电常数测量系统，所述混合固体颗粒物质介电常数测量系统包括：
平台搭建模块，用于对试验平台进行设计与搭建使其满足平面波条件；
样品混合模块，用于将待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
误差消除模块，用于对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
参数测量模块，用于对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
复介电常数模块，用于对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
本发明的另一目的在于提供一种微波测量终端，所述微波测量终端用于实现所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明是针对混合固体颗粒物质基于网络参数的介电常数测量方法，它不要求与样品接触，因而不会破坏待测物原始状态，且可以根据需要选择地点放置，具有较高的自由度，且克服了谐振腔法只能单点测量的缺点，实现了大范围多频段扫描。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的混合固体颗粒物质介电常数测量方法流程图。
图2是本发明实施例提供的混合固体颗粒物质介电常数测量系统的结构示意图；
图2中：1、平台搭建模块；2、样品混合模块；3、误差消除模块；4、参数测量模块；5、复介电常数模块。
图3是本发明实施例提供的混合固体颗粒物质介电常数测量方法的实现流程图。
图4是本发明实施例提供的室内介电常数矢量测试平台示意图。
图5是本发明实施例提供的喇叭天线不同频率下对应的平面波条件示意图。
图6是本发明实施例提供的室内暗室测量系统现场布置图。
图7是本发明实施例提供的金属钢珠与橄榄石颗粒混合样品。
图7中：(a)为金属钢珠与橄榄石颗粒体积比例为1：3混合样品；(b)为金属钢珠与橄榄石颗粒体积比例为1：4混合样品。
图8是本发明实施例提供的喇叭天线不同频率下对应的样品无限大条件示意图。
图9是本发明实施例提供的喇叭天线不同频率下对应的样品无限厚条件示意图。
图10是本发明实施例提供的橄榄石颗粒和金属钢珠不同比例混合介电常数反演结果示意图。
图10中：(a)为样品介电常数实部反演结果；(b)为样品介电常数虚部反演结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的混合固体颗粒物质介电常数测量方法包括以下步骤：
S101：对试验平台进行设计与搭建使其满足平面波条件；
S102：待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
S103：对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
S104：对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
S105：对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
本发明提供的混合固体颗粒物质介电常数测量方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的混合固体颗粒物质介电常数测量方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的混合固体颗粒物质介电常数测量系统包括：
平台搭建模块1，用于对试验平台进行设计与搭建使其满足平面波条件；
样品混合模块2，用于将待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
误差消除模块3，用于对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
参数测量模块4，用于对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
复介电常数模块5，用于对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明以解决混合固体颗粒物质介电常数测量问题；克服了谐振腔法和波导法对样品材料加工工艺和单频点的限制，克服了同轴线探针法只能测量介质材料局部区域的缺点，拥有多频段覆盖且不会破坏材料原始状态的优势。传统测量方法难以避免的是无法严格满足平面波条件，从而反演精度不高，这是因为入射角过大导致的，同时还引起了收发天线之间的耦合增强。因此改进了测量方式，如图3所示，具体步骤：对试验平台进行设计与搭建使其满足平面波条件；对待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；对得到的测量数据进行反演最终得出复介电常数。
如图3所示，本发明提供的混合固体颗粒物质介电常数测量方法具体包括以下步骤：
(1)搭建试验场地，图4所示为室内测试平台布置。自由空间法反演物质介电常数是建立在菲涅尔反射定律基础上的，基本原理是将发射天线和接收天线分别与矢量网络分析仪的两个端口相连，测量介质材料的散射参数的振幅和相位再反演得出其复介电常数。基于上述原理，测试场地布置和待测材料需要满足四个测量条件：平面波条件、样品表面无限大、样品表面无限厚和样品表面光滑。
为了使本发明实验场布置更加清晰明白，特提供部分实验仪器清单及场地参数，需要说明的是，设置矢网扫频范围时选择20GHz～22GHz即为工作频率,且所有仪器选择及其摆放设置仅供参考。
表1部分仪器及场地参数
| 矢量网络分析仪 | 型号：AV3672B |
| 喇叭天线 | 频率：18～26.5GHz口径：10.5×8.7cm |
| 入射角 | θ＝35° |
| 天线高度 | h＝163.5cm |
| 天线距样品水平距离 | L＝114.5cm |
| 样品规格 | 50cm×50cm×30cm |
(1.1)首先需满足平面波条件：菲涅尔反射定律要求入射到介质表面的电磁波为平面波或近似平面波，根据天线的远近场判别公式，当待测材料处于天线发射场的远场区域时，照射到材料表面的电磁波便可以视为平面波。因此天线与目标的距离L、天线最大口径D以及电磁波波长λ有如下判别式：
对于喇叭天线，天线最大口径D即为其长轴大小。根据上述天线参数，得出其不同频率下的平面波条件，如图5所示，天线与目标的距离L随着频率而增大，根据工作频率范围两者距离只要大于22GHz时的1.617m即可。现场喇叭天线高度h＝163.5cm、入射角θ＝35°满足平面波条件。
(1.2)为了消除上述天线耦合效应，转动天线以小角度θ＝35°入射以提高测量精度，该实验宜安排在低噪声环境中进行，图6为本实例提供的实验室布置现场图，具体实验室布置应该如下：在测试区域底部放置吸波泡沫板，泡沫板上放置测试样品，以防止电磁波透过测试材料后，接触地面产生反射回波，在测试样品四周布置吸波材料以尽量减小环境干扰，即除了介质表面反射的回波之外其他能量都被吸收，两个天线支架置于待测样品的两侧，收发天线分别安装在可调节高度和入射角度的两个天线支架上，通过调节天线支架的高度和角度，使得两个天线关于待测样品成镜像，且满足入射角等于反射角，再将收发天线分别依次连接功率放大器、矢量网络分析仪的两个端口。
(2)准备待测材料：由现有条件，选择金属钢珠和橄榄石颗粒作为原材料并按照体积比1：3和1：4混合，如图7为本实例提供的样品图，分别为金属钢珠与橄榄石体积比1：3和1：4。根据上面所述，介质材料的选取与规格参数还需满足几个测试条件，即样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑。
(2.1)样品表面无限大：样品表面的大小可根据Kirchhoff积分公式来确定，它是天线到待测样品的距离、喇叭天线增益、方向图以及入射角的函数，并反映了局部菲涅尔反射系数。一般认为，当Fresnel带个数N＞10时，便可以认为样品面积是无限大的。因此根据菲涅尔周线的长轴a和短轴b：
其中，
λ为入射电磁波波长，h为样品到天线的竖直距离，L为样品到天线的水平距离。图8展示了不同频率下测试样品需要满足的无限大条件，综上只要达到20GHz时的0.4501m即可。但在实际测量中，电磁波到达待测样品边缘时会产生绕射现象，通过增大样品表面积至足够大来消除这些影响。
(2.2)样品表面无限厚：对于电磁波来说，当其在介质中传输衰减完全且走过的路程刚好为一个来回时，便可以认为这个介质是无限厚的，在实际使用中当信号衰减大于40dB时介质就满足了无限厚条件，衰减系数Γ和介电常数如下：
不同的待测介质，Av的值便会不同，一般测量固体的介电常数时有Av＝1，而穿透深度表示为电磁波幅度值衰减到只有其在表层处的1/e时所穿过介质的厚度，所以当电磁波以θ为入射角入射到介质表面时，介质厚度最小满足以下便可认为无限厚：
因为选取的材料为金属钢珠和橄榄石颗粒，参考相关资料，用10+0.1j代表橄榄石介电常数，80+20j代表金属介电常数，分别代入上式预估。如图9所示，金属的厚度条件明显小于橄榄石且都随着频率减小，因此厚度只需大于20GHz时的0.2848m即可。
(2.3)样品表面光滑：根据实验可知，样品表面只要满足基尔霍夫模型(KAM)和小扰动模型(SPM)就可运用菲涅尔定律进行反演：
其中，k＝2π/λ是波数，s是表面均方根高度，l是表面相关长度。
(3)金属板双极化定标：由于在两种极化下喇叭天线的相位中心可能不一致，因此为了消除不同极化中心的相位误差，首先在测试区域放置与测试样品大小相同且反射系数为已知Rc V＝-Rc H＝1的金属板，通过转动喇叭天线方向来调整不同极化方式，具体有收发天线都为水平极化和垂直极化，分别测量其散射参数
和
并记录如表2。
表2定标金属板测量数据
(4)开展待测材料测量：完成金属板定标后，不移动天线，不改变传输路径，保持测试现场状态与上述定标时候一致，将准备好的待测材料放置于测试区域，同样通过转动喇叭天线方向来调整不同极化方式，具体有收发天线都为水平极化和垂直极化，分别测量其散射参数S21V和S21H。并记录如表2和表3。
表2小钢珠与橄榄石体积比1：4不同极化测量数据
表3小钢珠与橄榄石体积比1：3不同极化测量数据
(5)对测量数据进行反演计算得出复介电常数：根据菲涅尔反射定律，介质的反射系数与介电常数有如下的关系，于是可以根据反射系数来反演得出其介电常数：
其中，εr＝ε′r-jε″r为介质复介电常数，由上式可知其只与反射系数RH、RV入射角θ有关，所以只要测得上述参数，便能够求的物质介电常数。但是由矢量网络分析仪获得的是网络参数S21的幅值信息和相位信息，幅值反映网络增益的大小，相位反映电磁波通过整个系统后的延迟。通常有如下关系式：
A为整个测试系统的比例系数，比例系数与样品表面粗糙度、电磁波传播路径长度以及测试仪器内部参数有关，所以在同一个测试系统中A是不变的。通过测量出的S21H和S21V得到RH和RV，需要一个定标的过程。
(5.1)先来处理上面获得的金属板定标数据，利用已知的金属板反射系数关系Rc V＝-Rc H＝1，并且引入相位中心偏移误差δ，则金属板定标中获得的垂直极化波与水平极化波散射参数之比为：
(5.2)因为测量过程中保持了测试系统状态始终不变，即比例系数A不变，因此可以对样品数据做相同处理，则样品测量中获得的垂直极化波与水平极化波散射参数之比为：
根据上式能够解出介电常数反演公式：
其中，
即为实验得出的测试样品和定标金属板不同极化下网络参数的比值，由此只要测出垂直极化和水平极化下的端口S参数和入射角θ，便能够结合反演公式得出介质材料的介电常数。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
一、实验指标
1.极化方式：HH、VV；
2.工作频率：20GHz～22GHz；
3.场地参数：入射角θ＝35°、天线高度h＝163.5cm、天线距样品水平距离L＝114.5cm；
4.实验仪器：矢量网络分析仪AV3672B、喇叭天线(频率：18～26.5GHz口径：10.5×8.7cm)、天线支架、激光校准器、泡沫板、吸波材料、功率放大器、卷尺、体积量杯、橄榄石颗粒(2～4mm)、金属小钢珠(3.5mm)、金属板。
二、测量与反演结果
物质的介电常数不仅与其温度、湿度、材料组成等自身的众多性质有关，在本发明中还可以看出其与某些外界条件有密切的关系，如电磁波频率、入射角度等。反演结果如图10所示，理论上橄榄石矿物K波段的介电常数为4～13左右，金属钢珠K波段的介电常数为17～74，从图8中看来橄榄石实部范围在8～10，金属钢珠实部范围在42～49，且橄榄石属低损耗介质故其虚部较小。介电常数实部和虚部都随着混合材料中金属小钢珠的比例的降低而减小，且随着频率的增大而减小，材料中小钢珠占比从0％到20％，整体介电常数实部和虚部变化不大，而小钢珠占比从20％到25％时，整体介电常数实部和虚部变化较大，可见金属体积分数对介电常数影响最大，且随着增大，介电常数实部和虚部迅速增大。
本发明提供了混合固体颗粒物质介电常数测量的方法，具有多频段覆盖、材料制作简单以及不会破坏材料原始状态的优势，结合上述，发现反演结果较好满足理论结果以及体积比与介电常数变化规律，此外本发明对实验室条件及样品限制较低，具有很强的适用性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，所述混合固体颗粒物质介电常数测量方法包括：
对试验平台进行设计与搭建满足平面波条件；
待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
2.如权利要求1所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，所述混合固体颗粒物质介电常数测量方法搭建试验场地，将发射天线和接收天线分别与矢量网络分析仪的两个端口相连，测量介质材料的散射参数的振幅和相位再反演得出其复介电常数；测试场地布置和待测材料需要满足四个测量条件：平面波条件、样品表面无限大、样品表面无限厚和样品表面光滑；
满足平面波条件：菲涅尔反射定律要求入射到介质表面的电磁波为平面波或近似平面波，根据天线的远近场判别公式，当待测材料处于天线发射场的远场区域时，照射到材料表面的电磁波便可以视为平面波，天线与目标的距离L、天线最大口径D以及电磁波波长λ有如下判别式：
对于喇叭天线，天线最大口径D即为其长轴大小；根据天线参数，得出其不同频率下的平面波条件，根据工作频率范围两者距离只要大于22GHz时的1.617m；
实验室布置应该如下：在测试区域底部放置吸波泡沫板，泡沫板上放置测试样品，两个天线支架置于待测样品的两侧，收发天线分别安装在可调节高度和入射角度的两个天线支架上，通过调节天线支架的高度和角度，使得两个天线关于待测样品成镜像，且满足入射角等于反射角，再将收发天线分别与矢量网络分析仪的两个端口相连。
3.如权利要求1所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，准备待测材料：选择金属钢珠和橄榄石颗粒作为原材料并按照体积比1：3和1：4混合；
(1)样品表面无限大：样品表面的大小可根据Kirchhoff积分公式确定，它是天线到待测样品的距离、喇叭天线增益、方向图以及入射角的函数，并反映了局部菲涅尔反射系数，当Fresnel带个数N＞10时，认为样品面积是无限大的，根据菲涅尔周线的长轴a和短轴b：
其中，
λ为入射电磁波波长，h为样品到天线的竖直距离，L为样品到天线的水平距离；
(2)样品表面无限厚：衰减系数Γ和介电常数如下：
当电磁波以θ为入射角入射到介质表面时，介质厚度最小满足：
因用10+0.1j代表橄榄石介电常数，80+20j代表金属介电常数，分别代入上式预估；
(3)样品表面光滑：根据实验可知，样品表面只要满足基尔霍夫模型KAM和小扰动模型SPM运用菲涅尔定律进行反演：
其中，k＝2π/λ是波数，s是表面均方根高度，l是表面相关长度。
4.如权利要求1所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，金属板双极化定标：首先在测试区域放置与测试样品大小相同且反射系数为已知Rc V＝-Rc H＝1的金属板，通过转动喇叭天线方向来调整不同极化方式，具体有收发天线都为水平极化和垂直极化，分别测量其散射参数
和
5.如权利要求1所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，开展待测材料测量：完成金属板定标后，不移动天线，不改变传输路径，保持测试现场状态与定标时候一致，将准备好的待测材料放置于测试区域，同样通过转动喇叭天线方向来调整不同极化方式，具体有收发天线都为水平极化和垂直极化，分别测量其散射参数S21V和S21H。
6.如权利要求1所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，对测量数据进行反演计算得出复介电常数：根据菲涅尔反射定律，介质的反射系数与介电常数有如下的关系，根据反射系数来反演得出其介电常数：
其中，εr＝ε′r-jε″r为介质复介电常数，由上式可知其只与反射系数RH、RV入射角θ有关，由矢量网络分析仪获得的是网络参数S21的幅值信息和相位信息，幅值反映网络增益的大小，相位反映电磁波通过整个系统后的延迟；通常有如下关系式：
A为整个测试系统的比例系数，比例系数与样品表面粗糙度、电磁波传播路径长度以及测试仪器内部参数有关，所以在同一个测试系统中A是不变的，通过测量出的S21H和S21V得到RH和RV。
7.如权利要求6所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法，其特征在于，进一步包括：
(1)处理上面获得的金属板定标数据，利用已知的金属板反射系数关系Rc V＝-Rc H＝1，并且引入相位中心偏移误差δ，则金属板定标中获得的垂直极化波与水平极化波散射参数之比为：
(2)因为测量过程中保持了测试系统状态始终不变，即比例系数A不变，对样品数据做相同处理，则样品测量中获得的垂直极化波与水平极化波散射参数之比为：
解出介电常数反演公式：
其中，
即为实验得出的测试样品和定标金属板不同极化下网络参数的比值，测出垂直极化和水平极化下的端口S参数和入射角θ，结合反演公式得出介质材料的介电常数。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
对试验平台进行设计与搭建满足平面波条件；
待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
9.一种实施权利要求1～7任意一项所述混合固体颗粒物质介电常数测量方法的混合固体颗粒物质介电常数测量系统，其特征在于，所述混合固体颗粒物质介电常数测量系统包括：
平台搭建模块，用于对试验平台进行设计与搭建使其满足平面波条件；
样品混合模块，用于将待测固体颗粒物质进行混合使其满足样品表面无限大、样品表面无限厚以及样品表面光滑条件；
误差消除模块，用于对测试场使用金属板双极化定标消除不同极化相位中心误差；
参数测量模块，用于对准备的材料进行垂直极化波和水平极化波下网络参数测量；
复介电常数模块，用于对得到的测量数据进行反演最终得出介质的复介电常数。
10.一种微波测量终端，其特征在于，所述微波测量终端用于实现权利要求1～7任意一项所述的混合固体颗粒物质介电常数测量方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN114487618A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-13 | 北京航空航天大学 | 一种复合材料低频电磁参数等效提取装置及方法 |
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| JP2005172520A (ja) * | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Tdk Corp | 誘電率の測定方法 |
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