CN113433392B - 一种介质材料电磁参数测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质材料电磁参数测量装置及测量方法，具有工作台、两个载体板以及用来放置被测介质材料的载板，于其中一个载体板上设置发射喇叭，于另外一个载体板上对应设置接收喇叭，将载板上的被测介质材料夹设于发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间。本发明通过对发射喇叭/接收喇叭的曲线轮廓进行优化，以使其回波损耗、交叉极化、口面场分布满足一定的条件，从而使该装置具备测量介质材料的能力。信号波束不需要经过一段自由空间才能入射到被测介质材料表面，避免了外界的信号干扰以及信号在介质材料边缘处绕射的问题，有效提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及介质材料测量技术领域，尤其是涉及一种介质材料电磁参数测量装置及测量方法。
背景技术
介质材料电磁参数一般是指复介电常数和复导磁率，它是描述材料与电磁场相互作用最基本的两个特征参数，随着介质材料在电子领域的广泛应用，准确了解电磁参数值，对判断介质材料在电磁场中的效应是必要的。
在微波及毫米波段，材料的电磁参数测试方法按测量原理可分为网络参数法、谐振腔法两大类。网络参数法一般包括时域法、传输/反射法、多厚度法、多状态法、自由空间法等，通过测量网络参数计算出介质材料的电磁参数，这些方法可在宽频带内进行测量。而谐振腔法将样品置于谐振腔中，利用有无样品放置对应的腔内电磁场特性变化计算出介质材料的电磁参数，这种方法只能在点频上进行测量。
上述的自由空间法是指利用天线将电磁波辐射到自由空间，当遇到测试样品时，发生反射和透射现象，利用天线接收这些反射和透射信号，计算介质材料的电磁参数。可是目前的自由空间法存在一定的缺点：入射电磁波在聚焦到样品表面之前要经过一段开阔的自由空间，在此过程中会出现受到外界干扰，或电磁波从样品边缘绕射的问题；此外，为了保证电磁波能够全面入射到试样上，自由空间法对样品材料还要有所要求，需要一块平坦的、双面平行的、相对面积足够大的样品，对试样进行如此设计很大程度上将会降低测量效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种介质材料电磁参数测量装置，具有结构更为简洁、误差干扰项少、测量精度高的特点。
本发明是这样实现的，一种介质材料电磁参数测量装置包括：
工作台、两个载体板以及设于两个载体板之间用来放置被测介质材料的载板，于其中一个载体板上设置用来发射信号的发射喇叭，于另外一个载体板上对应设置用来接收信号的接收喇叭，其中发射喇叭、接收喇叭的构造一致且互为镜像设置，并且二者的喇叭口端面相对，其中：
载板可于两个载体板之间左右移动，两个载体板中至少有一个可移动地装设于工作台上，以满足将载板上的被测介质材料夹设于发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间，其中，发射喇叭/接收喇叭的截面轮廓设计为曲线轮廓，信号经过发射喇叭内部空间后产生高斯波束，并且高斯波束束腰处于喇叭口端面处。
作为本发明进一步的方案，所述发射喇叭/接收喇叭的曲线轮廓为数个控制点组成的三次样条线，将控制点的位置设置为变量，通过遗传优化算法，使得发射喇叭/接收喇叭的回波损耗、交叉极化、口面场分布最终满足一定的条件。
作为本发明进一步的方案，安装有接收喇叭的载体板固定于所述工作台上，安装有发射喇叭的载体板通过移动机构在所述工作台上完成移动，以实现与另一个载体板上的接收喇叭的靠近或远离，以便夹载或取下被测介质材料。
作为本发明进一步的方案，所述移动机构为滚珠丝杠结构，包括沿工作台长度方向设置且可转动的螺杆，螺杆上设一螺母移动块，该螺母移动块与安装有发射喇叭的载体板固定连接，通过旋转螺杆将旋转运动转化为载体板的直线运动。
作为本发明进一步的方案，所述工作台的上端设有轨道，于安装有发射喇叭的载体板底端对应设有可与轨道滑动配合的轨道槽。
作为本发明进一步的方案，所述载板带有用于放置被测介质材料的基座，基座上具有搁置槽口。
作为本发明进一步的方案，所述发射喇叭/接收喇叭固定于载体板的上端面。
本发明还提供一种应用所述介质材料电磁参数测量装置的测量方法，包括以下步骤：
将发射喇叭、接收喇叭分别通过外接相应的测试辅件及线缆与一矢量网络分析仪连接，并且矢量网络分析仪连接一计算机；通过TRL校准技术对系统进行校准；将被测介质材料放置于载板上，并调整两个载体板之间的距离，直至使得将载板上的被测介质材料夹设于发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间；开始进行介质材料相应的电磁参数测试，并通过测量软件设置测试仪器参数，测量结果数据输入计算机中；结束测量，调整两个载体板之间的距离，以使发射喇叭与接收喇叭分离，取出被测介质材料。
本发明提供了介质材料电磁参数测量装置及测量方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
1、介质材料电磁参数测量装置及测量方法，通过对发射喇叭/接收喇叭的曲线轮廓进行优化，以使其回波损耗、交叉极化、口面场分布满足一定的条件，最终使得发射喇叭出射高斯波束，且高斯波束束腰位于喇叭口端面处，从而使系统具备测量介质材料的能力。
2、介质材料电磁参数测量装置及测量方法，通过将发射喇叭、接收喇叭、被测介质材料集中安装到一个工作台上，使得发射电磁波信号及接收电磁波信号的过程更加稳定，一致性高。
3、介质材料电磁参数测量装置及测量方法，通过对发射喇叭/接收喇叭的曲线轮廓进行优化，信号经过发射喇叭内部空间后产生的高斯波束束腰处于喇叭口端面处，而被测介质材料被夹设于发射喇叭/接收喇叭的喇叭口端面之间，被测介质材料也就不需要具有多大的相对面积要求，同时发射的电磁波信号波束也不需要经过一段自由空间才能入射到被测介质材料表面，避免了外界的信号干扰以及信号在介质材料边缘处绕射的问题，有效提高了测量精度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置测量前的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数系统准备测量时的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数系统测量过程中的结构示意图；
图中，各附图标记为：
1-工作台，2-载体板，3-载板，4-发射喇叭，5-接收喇叭，6-喇叭口端面，7-被测介质材料，11-螺杆，12-螺母移动块，13-轨道，31-基座，32-搁置槽口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
请结合参照图1、图2和图3，其中，图1示出了本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数系统测量前的结构示意图，图2示出了本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数系统准备测量时的结构示意图，图3示出了本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数系统测量过程中的结构示意图。作为本发明的一个实施例，该介质材料电磁参数测量装置包括：
工作台1、两个载体板2以及设于两个载体板2之间用来放置被测介质材料的载板3，于其中一个载体板上设置用来发射信号的发射喇叭4，于另外一个载体板上对应设置用来接收信号的接收喇叭5，其中发射喇叭、接收喇叭的构造一致且互为镜像设置，并且二者的喇叭口端面6相对；
值得注意的是，载板3可于两个载体板2之间左右移动，两个载体板2中至少有一个可移动地装设于工作台1上，以满足将载板3上的被测介质材料7夹设于发射喇叭4、接收喇叭5的喇叭口端面6之间，其中，发射喇叭/接收喇叭的截面轮廓设计为曲线轮廓，信号经过发射喇叭内部空间后产生的高斯波束，并且高斯波束束腰处于喇叭口端面处。
发射喇叭的激励信号主模为TE11模，信号经过发射喇叭内部空间后产生高次模，到达其喇叭口端面时为按一定的比例混合的多模，即能够从发射喇叭的喇叭口端面处出射高斯度为98％以上的高斯波束，高斯波束束腰位于其喇叭口端面处，被测介质材料即放置于该高斯波束束腰处进行测量。
需要说明的是，发射喇叭/接收喇叭的曲线轮廓为数个控制点组成的三次样条线，将控制点的位置设置为变量，通过遗传优化算法，使得发射喇叭/接收喇叭的回波损耗、交叉极化、口面场分布最终满足一定的条件。
作为本发明的一个实施例，安装有接收喇叭的载体板固定于工作台上，安装有发射喇叭的载体板通过移动机构在工作台上完成移动，以实现与另一个载体板上的接收喇叭的靠近或远离，以便夹载或取下被测介质材料。
当然了，也可将安装有发射喇叭的载体板固定于工作台上，使安装有发射喇叭的另一个载体板可相对工作台移动，或者，两个载体板都能相对工作台发生移动，能够实现载体板上的发射喇叭和接受喇叭夹住被测介质材料的目的即可。
具体的，移动机构为滚珠丝杠结构，包括沿工作台1长度方向设置且可转动的螺杆11，螺杆11上设一螺母移动块12，该螺母移动块12与安装有发射喇叭4的载体板2固定连接，通过旋转螺杆11将旋转运动转化为载体板2的直线运动。
作为本发明的一个实施例，工作台1的上端设有轨道13，于安装有发射喇叭4的载体板2底端对应设有可与轨道13滑动配合的轨道槽(图中未示出)。
作为本发明的一个实施例，载板3带有用于放置被测介质材料7的基座31，基座31上具有搁置槽口32。被测介质材料并不需要固定在基座上，只需保持能够以竖直的状态立于基座上即可。
作为本发明的一个实施例，发射喇叭/接收喇叭固定于载体板的上端面。
本发明还公开了一种介质材料电磁参数测量的方法，包括以下步骤：
将发射喇叭、接收喇叭分别通过外接相应的测试辅件及线缆与一矢量网络分析仪连接，并且矢量网络分析仪连接一计算机；通过TRL校准技术对系统进行校准；将被测介质材料放置于载板上，并调整两个载体板之间的距离，直至使得将载板上的被测介质材料夹设于发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间；开始进行介质材料相应的电磁参数测试，并通过测量软件设置测试仪器参数，测量结果数据输入计算机中；结束测量，调整两个载体板之间的距离，以使发射喇叭与接收喇叭分离，取出被测介质材料。
矢量网络分析仪发出的信号经过线缆进入发射喇叭，被测介质材料处于发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间，发射信号遇到被测介质材料表面后一部分将反射回发射喇叭内，一部分将从材料表面透射入接收喇叭内，反射和透射的比例由材料的特性决定，反射信号回到发射喇叭进而回到矢网，透射信号进入接收喇叭进而进入矢网，两个信号在矢网内部处理为S11和S21，经过进一步计算，可以获得材料的电磁参数。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种介质材料电磁参数测量装置，具有工作台、两个载体板以及设于两个载体板之间用来放置被测介质材料的载板，于其中一个载体板上设置用来发射信号的发射喇叭，于另外一个载体板上对应设置用来接收信号的接收喇叭，其中发射喇叭、接收喇叭的构造一致且互为镜像设置，并且二者的喇叭口端面相对，其特征在于：
载板可于两个载体板之间左右移动，两个载体板中至少有一个可移动地装设于工作台上，以满足将载板上的被测介质材料夹紧在发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间，其中，发射喇叭/接收喇叭的截面轮廓设计为曲线轮廓，信号经过发射喇叭内部空间后产生高斯波束，并且高斯波束束腰处于喇叭口端面处；
所述发射喇叭/接收喇叭的曲线轮廓为数个控制点组成的三次样条线，将控制点的位置设置为变量，通过遗传优化算法，使得发射喇叭/接收喇叭的回波损耗、交叉极化、口面场分布最终满足一定的条件。
2.根据权利要求1所述的一种介质材料电磁参数测量装置，其特征在于，安装有接收喇叭的载体板固定于所述工作台上，安装有发射喇叭的载体板通过移动机构在所述工作台上完成移动，以实现与另一个载体板上的接收喇叭的靠近或远离，以便夹载或取下被测介质材料。
3.根据权利要求2所述的一种介质材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述移动机构为滚珠丝杠结构，包括沿工作台长度方向设置且可转动的螺杆，螺杆上设一螺母移动块，该螺母移动块与安装有发射喇叭的载体板固定连接，通过旋转螺杆将旋转运动转化为载体板的直线运动。
4.根据权利要求3所述的一种介质材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述工作台的上端设有轨道，于安装有发射喇叭的载体板底端对应设有可与轨道滑动配合的轨道槽。
5.根据权利要求1所述的一种介质材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述载板带有用于放置被测介质材料的基座，基座上具有搁置槽口。
6.根据权利要求1所述的一种介质材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述发射喇叭/接收喇叭固定于载体板的上端面。
7.一种应用如权利要求1至6任意一项所述的介质材料电磁参数测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将发射喇叭、接收喇叭分别通过外接相应的测试辅件及线缆与一矢量网络分析仪连接，并且矢量网络分析仪连接一计算机；
通过TRL校准技术对系统进行校准；
将被测介质材料放置于载板上，并调整两个载体板之间的距离，直至使得将载板上的被测介质材料夹设于发射喇叭、接收喇叭的喇叭口端面之间；
开始进行介质材料相应的电磁参数测试，并通过测量软件设置测试仪器参数，测量结果数据输入计算机中；
结束测量，调整两个载体板之间的距离，以使发射喇叭与接收喇叭分离，取出被测介质材料。
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