CN113687148B - 一种电磁参数测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁参数测量系统及其测量方法，其中系统包括：两个波导同轴变换器，其中一个波导同轴变换器用于输出电磁波，另一个波导同轴变换器用于接收电磁波；两个波导模块，每个波导模块包括标准矩形波导和介质填充波导，介质填充波导内设有填充介质，标准矩形波导的一端与波导同轴变换器连接，标准矩形波导的另一端与介质填充波导的一端连接；波导垫片，设有用于安放待测试样品的窗口，窗口与填充介质连接，波导垫片与介质填充波导的另一端连接。本发明提出的电磁参数测量系统，对柔性材料和/或薄片材料的电磁参数进行测试，能够同时测量多种电磁参数，提高测量的效率，可广泛应用于微波测量领域。

Description

一种电磁参数测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及微波测量领域，尤其涉及一种电磁参数测量系统及其测量方法。

背景技术

在微波技术的快速发展过程中，研究者们对材料的电磁参数的测量研究十分重视，其测量方法经历了从低频到微波，从简单地测试电容值到运用数值计算方法的过程。随着电磁波的应用频率越来越高，微波电路或者器件的结构越来越复杂且精密程度也进一步提高，研究者们对材料的电磁参数的测试和表征技术的要求也越来越高。

此外，近年来，随着器件小型化，器件共形等需求，柔性材料和薄片材料等由于其优秀的共形特性被广泛用于设计微波/毫米波电路，而从目前所公开的研究方法中，对于柔性材料和薄片材料的电磁参数的测量研究仍较少。因此，柔性材料和薄片材料的电磁参数的测量问题亟待解决。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种电磁参数测量系统及其测量方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种电磁参数测量系统，包括：

两个波导同轴变换器，用于连接矢量网络分析仪，其中一个所述波导同轴变换器用于输出电磁波，另一个所述波导同轴变换器用于接收电磁波；

两个波导模块，每个所述波导模块包括标准矩形波导和介质填充波导，所述介质填充波导内设有填充介质，所述标准矩形波导的一端与所述波导同轴变换器连接，所述标准矩形波导的另一端与所述介质填充波导的一端连接；

波导垫片，设有用于安放待测试样品的窗口，所述窗口与所述填充介质连接，所述波导垫片与所述介质填充波导的另一端连接；

其中，输出的电磁波依次经过第一个填充介质、窗口和第二个填充介质后，由所述波导同轴变换器接收。

进一步地，同一个波导模块中的所述标准矩形波导和所述介质填充波导采用一体化设计，且所述标准矩形波导和所述介质填充波导之间的过渡段采用多节阶梯结构来实现阻抗匹配。

进一步地，所述填充介质的一端采用多节阶梯结构来实现阻抗匹配，并且通过缩小介质填充波导的宽边尺寸，实现标准矩形波导与介质填充波导之间的波导截止频率相同。此处的缩小宽边尺寸是指整个介质填充波导的宽边尺寸比标准矩形波导的宽边窄。这样可以实现标准矩形波导与介质填充波导之间的波导截止频率相同。

进一步地，所述波导同轴变换器、波导模块和波导垫片之间通过法兰盘固定，且在固定时，所述填充介质的另一端与所述待测试样品接触，以固定所述待测试样品，

所述待测试样品的厚度与所述波导垫片的厚度相同。

进一步地，所述电磁参数测量系统还包括TRL校准件，所述TRL校准件用于对电磁参数测量系统的S参数平面和系统的误差因素做校准。

进一步地，所述TRL校准件包括反射板和传输线，所述传输线的长度为四分之一波导波长，所述波导波长由波导的工作频率、波导的截止波长和填充介质的介电常数决定。

本发明所采用的另一技术方案是：

基于上所述的一种电磁参数测量系统的一种电磁参数测量方法，包括以下步骤：

输出第一电磁波，所述第一电磁波穿过填充介质和待测试样品后，得到第二电磁波；

接收所述第二电磁波，根据所述第一电磁波和所述第二电磁波，获取待测试样品的S参数；

根据所述S参数获取待测试样品的电磁参数，其中电磁参数包括复介电常数、复磁导率或损耗角正切的至少之一。

进一步地，所述根据所述S参数获取待测试样品的电磁参数，包括：

S参数与反射系数和透射系数存在如下关系：

假设

那么反射系数Γ可表示为：

并且，|Γ|＜1；

由传输线理论，得出如下结论：

T＝_e ^-γd

其中，γ是传播常数，λ₀是电磁波的工作波长，λ_c是截止波长，ε_r是待测样品的复介电常数，μ_r是待测材料的复磁导率，Z和Z_r分别表示为标准矩形波导和样品区的特征阻抗；得到反射系数Γ与复介电常数ε_r、复磁导率μ_r之间的关系如下：

获得复介电常数ε_r、复磁导率μ_r和损耗角正切的表达式如下：

其中λ_g是波导波长。

进一步地，所述一种电磁参数测量方法还包括补偿步骤，所述补偿步骤包括：

输出第三电磁波，所述第三电磁波穿过填充介质和空气后，得到第四电磁波；

接收所述第四电磁波，根据所述第三电磁波和所述第四电磁波，获取空气的S参数；

根据空气的S参数获取填充介质的介电常数ε′_l；

根据填充介质的介电常数ε′_l对待测试样品的电磁参数进行补偿，获得补偿后的电磁参数。

进一步地，所述根据空气的S参数获取填充介质的介电常数ε′_l，包括：

获取空气的介电常数和损耗角正切；

根据空气的介电常数、损耗角正切以及计算获得的空气的电磁参数，反推出介质的介电常数ε′_l；

其中，空气的介电常数ε_r＝1.0006，空气的损耗角正切tanθ＝0。

本发明的有益效果是：本发明提出的电磁参数测量系统，对柔性材料和/或薄片材料的电磁参数进行测试，能够同时测量多种电磁参数，提高测量的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明中实施例中一种电磁参数测量系统的设计图；

图2是本发明中实施例中一种电磁参数测量系统的结构示意图；

图3是本发明中实施例中补偿算法的步骤程序图；

图4是本发明中实施例中标准矩形波导与填充矩形波导之间的电压驻波比；

图5是本发明中实施例中电磁波的反射与透射示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种电磁参数测量系统，包括波导同轴变换器1、介质填充波导2、标准矩形波导3、波导垫片4、待测试样品5、填充介质6、波导法兰7，以及TRL校准件，其中TRL校准件包括传输线8和为反射板9；其中介质填充波导可以为介质填充矩形波导，也可以为其他形状的介质填充波导，在本实施例中采用介质填充矩形波导；

波导同轴转换器一端通过同轴线与矢量网络分析仪连接，另一端通过法兰盘直接连接标准矩形波导；

标准矩形波导与介质填充矩形波导为一体化设计，在介质填充矩形波导段插入填充介质；

在填充介质的一端采用多节阶梯结构来实现阻抗匹配，并且缩小介质填充矩形波导段的宽边尺寸，从而实现标准矩形波导与介质填充波导之间的波导截止频率相同；

待测试的样品被固定在波导垫片的内部，而波导垫片被固定在介质填充波导的法兰盘之间；

填充介质的一端将与待测试的样品直接接触，从而固定待测试的样品，避免样品脱落、产生形变等。

在本实施例中，波导同轴变换器通过同轴线与矢量网络分析仪连接，且波导同轴变换器将电磁波的传输模式转换成TE₁₀模式。在标准矩形波导与介质填充矩形波导之间采用多节阶梯结构实现两个区域之间的阻抗匹配，其电压驻波比在整个频段内的值均小于1.07，如图4所示。在每次测量实验开始时，使用TRL校准件对测量系统做校准处理。在测量过程中，待测试样品5的厚度与波导垫片4的厚度一致；因此，当系统中各部分由螺栓或强力夹等工具固定之后，填充介质3将与样品4直接接触，可以防止柔性材料或/和极薄材料产生形变，最后，通过采集到的电磁波的幅值与相位的参数可以计算出待测材料的复介电常数，复磁导率和损耗角正切等电磁参数。

TRL校准件通过以下方式对测量系统进行校准：

以双端口为例，对应矢量网络分析仪的1.2端口，其具体的步骤如下：

a.完成测量系统的组装，但先将反射板9放置在波导垫片和样品的位置，在两个波导法兰之间并固定，点击矢量网络分析仪的TRL校准程序。

b.将a中的反射板9取下，用传输线8代替反射板9放置在两个波导法兰之间并固定，点击矢量网络分析仪上的Line 1按键，即可完成L。

c.将b中的传输线8取下，直接连通两个波导法兰之间并固定，此时点击矢量网络分析仪上的Through按键，即可完成T。

故传输线8和反射板9仅仅是在每次实验之前的TRL校准过程中会被使用。

基于上述的一种电磁参数测量系统，本实施例还提供一种电磁参数测量方法，实现对介电材料包括复介电常数、复磁导率和损耗角正切等电磁参数的测量。具体如下：

本实施例采用传输反射法对待测试样品的电磁参数进行测量。传输反射法与其他测试方法相比具有宽带测量、可同时测量多种电磁参数等优点。该测试方法将待测试的样品放入传输线系统中，根据微波网络分析理论和传输线理论，可将该系统看成为一个二端口网络，如图5所示，电磁波在传输过程中遇见待测样品，将发生反射和透射，这一过程必然伴随着能量的衰减与相移，本方法的基本原理即为电磁波从一端的波导同轴变换馈入测量系统，在经过多次反射和透射之后，电磁波在另一端被波导同轴变换接收并送入矢量网络分析仪进行分析与计算，从而获得该测量样品的S参数。由所采集的S参数可对待测样品的电磁参数进行计算，S参数与反射系数和透射系数存在如下关系：

假设

那么反射系数Γ可表示为：

并且，|Γ|＜1。

由传输线理论，可以得出如下结论：

T＝e^-γd (5)

其中，γ是传播常数，λ₀是电磁波的工作波长，λ_c是截止波长，ε_r是待测样品的复介电常数，μ_r是待测材料的复磁导率，Z和Z_r分别表示为矩形波导和样品区的特征阻抗。所以，可以得到Γ，ε_r和μ_r之间的关系

最后，可以推导出复介电常数、复磁导率和损耗角正切的计算式：

其中λ_g是波导波长。

通过以上计算式(11)(12)可以看出，所测量的样品的复介电常数ε_r与其两侧的填充介质的介电常数ε_l有直接联系。而根据已知的电磁波理论可知，同一介质材料的复介电常数会随着频率的变化而发生改变，因此，在计算待测材料的介电常数时不能使用同一个固定的数值进行计算。因此，本实施例提出如下补偿算法，其步骤如图3所示：

(1)首先对测试系统进行校准；

(2)使用该测量系统对空气的电磁参数进行测试，因为空气的介电常数基于不同的频率变化较小；

(3)使用计算公式(1)-(14)对空气的反射系数，透射系数等电磁参数进行计算；

(4)根据计算出的空气的电磁参数，并且以空气的介电常数和损耗角正切ε_r＝1.0006,tanθ＝0为基准由公式(11)-(12)反推出介质填充波导中的填充介质的介电常数ε_l′，介电常数ε_l′是一个复数，且随着频率变化；

(5)使用与上述测量空气电磁参数时相同的波导垫片对待测试材料进行测试；

(6)根据(4)中的填充介质的ε_l′以及(5)中测量获得的S参数可计算出待测试材料的补偿之后的复介电常数。

综上所述，本实施例的电磁参数测量方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实施例可实现使用传输反射法对柔性材料和/或薄片材料的电磁参数的测试。

(2)本实施例可实现对样品介电常数的补偿，显著提升测量结果的准确。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种电磁参数测量系统，其特征在于，包括：

两个波导同轴变换器，其中一个所述波导同轴变换器用于输出电磁波，另一个所述波导同轴变换器用于接收电磁波；

两个波导模块，每个所述波导模块包括标准矩形波导和介质填充波导，所述介质填充波导内设有填充介质，所述标准矩形波导的一端与所述波导同轴变换器连接，所述标准矩形波导的另一端与所述介质填充波导的一端连接；

波导垫片，设有用于安放待测试样品的窗口，所述窗口与所述填充介质连接，所述波导垫片与所述介质填充波导的另一端连接；

其中，输出的电磁波依次经过第一个填充介质、窗口和第二个填充介质后，由所述波导同轴变换器接收。

2.根据权利要求1所述的一种电磁参数测量系统，其特征在于，同一个波导模块中的所述标准矩形波导和所述介质填充波导采用一体化设计，且所述标准矩形波导和所述介质填充波导之间的过渡段采用多节阶梯结构来实现阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的一种电磁参数测量系统，其特征在于，所述填充介质的一端采用多节阶梯结构来实现阻抗匹配，并且通过缩小介质填充波导的宽边尺寸，实现标准矩形波导与介质填充波导之间的波导截止频率相同。

4.根据权利要求1所述的一种电磁参数测量系统，其特征在于，所述波导同轴变换器、波导模块和波导垫片之间通过法兰盘固定，且在固定时，所述填充介质的另一端与所述待测试样品接触，以固定所述待测试样品，

所述待测试样品的厚度与所述波导垫片的厚度相同。

5.根据权利要求1所述的一种电磁参数测量系统，其特征在于，所述电磁参数测量系统还包括TRL校准件，所述TRL校准件用于对电磁参数测量系统的S参数平面和系统的误差因素做校准。

6.根据权利要求5所述的一种电磁参数测量系统，其特征在于，所述TRL校准件包括反射板和传输线，所述传输线的长度为四分之一波导波长，所述波导波长由波导的工作频率、波导的截止波长和填充介质的介电常数决定。

7.基于权利要求1所述的一种电磁参数测量系统的一种电磁参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

输出第一电磁波，所述第一电磁波穿过填充介质和待测试样品后，得到第二电磁波；

接收所述第二电磁波，根据所述第一电磁波和所述第二电磁波，获取待测试样品的S参数；

根据所述S参数获取待测试样品的电磁参数，其中电磁参数包括复介电常数、复磁导率或损耗角正切的至少之一。

8.根据权利要求7所述的一种电磁参数测量方法，其特征在于，所述根据所述

S参数获取待测试样品的电磁参数，包括：

S参数与反射系数和透射系数存在如下关系：

假设

那么反射系数Γ可表示为：

并且，|Γ|＜1；

由传输线理论，得出如下结论：

T＝e^-γd

其中，γ是传播常数，λ₀是电磁波的工作波长，λ_c是截止波长，ε_r是待测样品的复介电常数，μ_r是待测材料的复磁导率，Z和Z_r分别表示为标准矩形波导和样品区的特征阻抗；

得到反射系数Γ与复介电常数ε_r、复磁导率μ_r之间的关系如下：

获得复介电常数ε_r、复磁导率μ_r和损耗角正切的表达式如下：

其中λ_g是波导波长。

9.根据权利要求7所述的一种电磁参数测量方法，其特征在于，所述一种电磁参数测量方法还包括补偿步骤，所述补偿步骤包括：

输出第三电磁波，所述第三电磁波穿过填充介质和空气后，得到第四电磁波；接收所述第四电磁波，根据所述第三电磁波和所述第四电磁波，获取空气的S参数；

根据空气的S参数获取填充介质的介电常数ε′_l；

根据填充介质的介电常数ε′_l对待测试样品的电磁参数进行补偿，获得补偿后的电磁参数。

10.根据权利要求9所述的一种电磁参数测量方法，其特征在于，所述根据空气的S参数获取填充介质的介电常数ε′_l，包括：

获取空气的介电常数和损耗角正切；

根据空气的介电常数、损耗角正切以及计算获得的空气的电磁参数，反推出介质的介电常数ε′_l；

其中，空气的介电常数ε_r＝1.0006，空气的损耗角正切tanθ＝0。

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