CN113125857A - 一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，包括如下步骤：步骤1，等效电路待测介质有耗电容计算公式推导：步骤2，进行测量参考面的校准：步骤3，进行吸波材料介电参数测量与反演。本发明所公开基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，可用于代替传统直流等效电阻测试方法，能更加准确的进行吸波材料的电参数测量，从而准确的进行各种吸波材料的参数标定，为雷达隐身、电磁屏蔽与射频匹配等电磁系统的设计、选型提供更加准确的电气参数指导。同时该方法也是一种相对简易、低成本的吸波材料介电参数测量与反演方法。

Description

一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法

技术领域

本发明属于雷达隐身、电磁屏蔽与射频匹配领域，特别涉及该领域中的一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，是一种能精确测量及反演吸波材料介电参数的无损测试方法。

背景技术

电磁吸波材料在雷达隐身、电磁屏蔽和射频匹配领域应用极为广泛，已成为当前复杂电子系统不可或缺的重要材料和部件。在雷达技术领域，吸波材料主要用于吸收来波，减少电磁波信号的反射以达到隐身的目的，是隐身电子设备不可或缺的重要部件。在复杂电子系统如飞机、舰船等大型装备中，电子设备之间的电磁泄漏可能引起设备之间的信号串扰，抬升系统噪声，导致侦测等系统信噪比下降，严重的情况下甚至引发其它设备的误触发或掉电，造成不可估量的损失和危险后果。恰当的应用吸波材料是有效解决复杂电子设备之间干扰和误触发的重要途径之一。在射频匹配领域，吸波材料是解决谐振天线、匹配电路较大尺寸要求和有限安装平台之间矛盾的有效手段。然而吸波材料制作工艺的特殊性和材料组成的复杂性，导致其电气性能、参数的变化异常复杂，测试也极为困难。传统测试方法中，主要进行吸波材料的直流等效电阻测试，即方块电阻测试。但随着技术的发展，电磁系统精度的要求不断提高，简单的直流等效测试方法已不能满足当前相关领域对吸波材料电参数测试的精度要求。

表征吸波材料电磁特性的关键参数就是介电常数，实际中的介电常数也并非常数，而是与材料组成密切相关、且随着频率、温度等因素变化的，而且是一系列变化的复数，本发明称其为介电参数。因此，吸波材料介电参数的测量与反演成为了吸波材料设计制造和各领域应用及优化调整的重要依据，是精密电磁系统降低系统噪声、提高信杂比和系统灵敏度的重要手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于开路同轴线的相对简易、低成本的吸波材料介电参数测量与反演方法，该方法最大的优点是无损测量，可用于软体吸波材料的介电参数测量。

本发明采用如下技术方案：

一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，等效电路待测介质有耗电容计算公式推导：

C_yp为待测介质所引起的电容，该电容为一个有耗电容，可以用下式表示：

C₀为同轴线探头位于空气中时的电容，等效电路的归一化导纳Y可用下式表示：

Y＝jωC_tZ₀+jωC₀(ε'_r-jε″_r) (2)

上式中ω表示角频率，

在开端同轴线端口处的反射系数可表示为：

S₁₁、

分别为同轴线探头末端反射系数Γ的幅度和相位，Z₀为同轴线特性阻抗，求解该方程可得待测样品的复数介电常数为：

步骤2，进行测量参考面的校准：

式(4)中同轴线探头末端反射系数Γ可以通过矢量网络分析仪测量出来，同轴线特性阻抗Z₀为已知量，确定同轴线探头电容C_t、开路测试电容C₀和同轴线探头与测试连接电缆所引起的相位差即测试装置校准；通过同轴探头开路、短路和测量已知介电常数介质的方法进行三次测试，建立三个方程，通过方程组求解确定该未知量，且将测试界面校准至同轴探头测试端口，开路校准时，直接将测试探头放置于空气中，确保探头周围最低测试频率对应1个波长范围内空旷，无其他遮挡物；短路测试时，用矢量网络分析仪测试套件配备的短路器件；对于已知介电常数介质的校准测量，采用纯净水；

步骤3，进行吸波材料介电参数测量与反演：

进行待测吸波材料的测试，通过矢量网络分析对吸波材料的测试，测出接入吸波材料后，测试端口的反射系数Γ，将其带入推导出的负载介电参数表达式，从而求解出吸波材料，即有耗电容负载的介电参数，

测试样品的介电常数实部ε′_r和虚部ε″_r分别由下式计算得出：

进一步的，测试样品参考样品尺寸不应小于测试频率下限值对应波长的1/10。

进一步的，测试时，同轴探头需紧贴待测吸波材料表面，且将探头置于待测样品中央区域，不得留有间隙。

本发明的有益效果是：

本发明所公开基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，可用于代替传统直流等效电阻测试方法，能更加准确的进行吸波材料的电参数测量，从而准确的进行各种吸波材料的参数标定，为雷达隐身、电磁屏蔽与射频匹配等电磁系统的设计、选型提供更加准确的电气参数指导。同时该方法也是一种相对简易、低成本的吸波材料介电参数测量与反演方法。该方法的另一大优点就是无损测量，测试并不会造成吸波材料的损毁。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开方法中同轴探头与测试样品的位置关系图；

图2是本发明实施例1所公开方法中测试模型的等效电路图。

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，以下结合附图和实施例，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。

本发明基于开路同轴线分布参数模型进行测试探头的模型建立，并将吸波材料等效为一有耗电容器作为开路同轴线的负载建立综合测试模型。根据建立的测试模型提出其等效电路，结合等效电路列出阻抗方程、测试端口反射系数方程。结合有耗电容器表征公式、等效电路阻抗方程、反射系数方程，推导出以反射系数Γ、同轴线探头电容C_t、开路测试电容C₀为参数的负载介电参数表达式。提出测试系统校准方法，通过校准测试，确定测试探头电容值C_t，以及探头开路时的电容值C₀，并将测试界面从矢量网络分析仪端口校准至开路同轴线测试端口。在前述校准的基础上，进行待测吸波材料的测试，通过矢量网络分析对吸波材料的测试，可以测出接入吸波材料后，测试端口的反射系数Γ，将其带入推导出的负载介电参数表达式，从而求解出吸波材料即有耗电容负载的介电参数。

实施例1，本实施例公开了一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，包括如下步骤：

步骤1，等效电路待测介质有耗电容计算公式推导：

开路同轴线探头可以视作一个电容，待测介质可等效成一个常数电容与复介电常数的乘积。同轴线探头测试吸波材料的连接方式与等效电路模型分别如图1，2所示，在图1中a、b分别为同轴线式探头的内导体及外导体半径。图2中C_t代表与测量介电参数无关的电容分量，也就是边缘效应所引起的电容，C_yp为待测介质(吸波材料)所引起的电容，该电容为一个有耗电容，可以用下式表示：

C₀为同轴线探头位于空气中时的电容，吸波材料的实部ε′_r和虚部ε″_r分别反映了有耗吸波材料的波长缩短效应和电损耗效应。通过上述模型的建立，等效电路的归一化导纳Y可用下式表示：

Y＝jωC_tZ₀+jωC₀(ε'r-jε″_r) (2)

上式中ω表示角频率，

该模型中待测吸波材料理论上是无穷大且均匀的，但在实际工程中，待测吸波材料不可能为无穷大介质，而是被要求在有限范围内，因此还需满足两个条件：(1)同轴线探头横截面尺寸与波长相比较小，以保证传输线的末端不产生强辐射，也就是保证大部分能量集中在同轴线探头末端；(2)同时要求样品的体积足够大，使得同轴探头的边缘场不被待测吸波材料样品所影响，兼顾测试精度和工程可实施性，本实施例的测试样品参考样品尺寸不应小于测试频率下限值对应波长的1/10。

如果测试频率满足上述条件则可利用上述等效电路模型进行分析，在开端同轴线端口处的反射系数可表示为：

上式中S₁₁、

分别为同轴线探头末端反射系数Γ的幅度和相位，Z₀为同轴线特性阻抗，求解该方程可得待测样品的复数介电常数为：

步骤2，进行测量参考面的校准：

式(4)中同轴线探头末端反射系数Γ可以通过矢量网络分析仪测量出来，同轴线特性阻抗Z₀为已知量，因此要求解待测吸波材料的介电常数，需要确定同轴线探头电容C_t和开路测试电容C₀。此外由于矢量网络分析仪将相位0°的位置设置为仪器端口，因此还需要确定由于同轴线探头和测试连接电缆所引起的相位差，从而将测量参考面由矢量网络分析仪的仪器端口移至同轴探头测试端口。

对于上述三个未知量的确定，也即测试装置校准，本实施例提出通过同轴探头开路、短路和测量已知介电常数介质的方法进行三次测试，建立三个方程，通过方程组求解即可确定该未知量，且将测试界面校准至同轴探头测试端口，开路校准时，直接将测试探头放置于空气中，确保探头周围(最低测试频率对应1个波长范围内)空旷，无其他遮挡物；短路测试时，用矢量网络分析仪测试套件配备的短路器件即可；对于已知介电常数介质的校准测量，可以采用纯净水，因为纯净水不仅易于获取，且其介电常数在较宽频率范围内已被精确测量和记载，便于查阅；

步骤3，进行吸波材料介电参数测量与反演：

按照前述方法进行测量装置的校准和样品的测试，最终可将测试样品的介电常数实部ε′_r和虚部ε″_r分别由下式计算得出：

由于实际工程中吸波材料并非理想均匀介质，因此在采用本实施例方法进行吸波材料介电参数的测量反演时有如下几条具体操作方法和要求：(1)兼顾测试精度和工程可实施性，测试样品参考样品尺寸不应小于测试频率下限值对应波长的1/10。(2)测试时，同轴探头需紧贴待测吸波材料表面，且将探头置于待测样品中央区域，不得留有间隙，避免能量从缝隙泄露。(3)考虑实际工程材料的非均匀性，建议采取多次测量，进行统计平均的方式确定最终介电参数。且多次测量时，可在待测样品中央区域小范围内移动同轴探头位置，以排除吸波材料参杂不均匀导致的测量误差。

Claims (3)

1.一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，等效电路待测介质有耗电容计算公式推导：

C_yp为待测介质所引起的电容，该电容为一个有耗电容，可以用下式表示：

C₀为同轴线探头位于空气中时的电容，等效电路的归一化导纳Y可用下式表示：

Y＝jωC_tZ₀+jωC₀(ε'_r-jε″_r) (2)

上式中ω表示角频率，

在开端同轴线端口处的反射系数可表示为：

S₁₁、

分别为同轴线探头末端反射系数Γ的幅度和相位，Z₀为同轴线特性阻抗，求解该方程可得待测样品的复数介电常数为：

步骤2，进行测量参考面的校准：

式(4)中同轴线探头末端反射系数Γ可以通过矢量网络分析仪测量出来，同轴线特性阻抗Z₀为已知量，确定同轴线探头电容C_t、开路测试电容C₀和同轴线探头与测试连接电缆所引起的相位差即测试装置校准；通过同轴探头开路、短路和测量已知介电常数介质的方法进行三次测试，建立三个方程，通过方程组求解确定该未知量，且将测试界面校准至同轴探头测试端口，开路校准时，直接将测试探头放置于空气中，确保探头周围最低测试频率对应1个波长范围内空旷，无其他遮挡物；短路测试时，用矢量网络分析仪测试套件配备的短路器件；对于已知介电常数介质的校准测量，采用纯净水；

步骤3，进行吸波材料介电参数测量与反演：

进行待测吸波材料的测试，通过矢量网络分析对吸波材料的测试，测出接入吸波材料后，测试端口的反射系数Γ，将其带入推导出的负载介电参数表达式，从而求解出吸波材料，即有耗电容负载的介电参数，

测试样品的介电常数实部ε′_r和虚部ε″_r分别由下式计算得出：

2.根据权利要求1所述基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，其特征在于：测试样品参考样品尺寸不应小于测试频率下限值对应波长的1/10。

3.根据权利要求1所述基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法，其特征在于：测试时，同轴探头需紧贴待测吸波材料表面，且将探头置于待测样品中央区域，不得留有间隙。

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