CN214375019U

CN214375019U - 一种材料电磁参数测量装置

Info

Publication number: CN214375019U
Application number: CN202120275351.9U
Authority: CN
Inventors: 梁家军; 黄冠龙
Original assignee: Foshan Lanpuda Technology Co ltd
Current assignee: Foshan Lanpuda Technology Co ltd
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2031-01-29

Abstract

本实用新型公开一种材料电磁参数测量装置，其特征在于，包括：恒温箱体；待测材料夹具，用于固定待测材料，设于所述恒温箱体内；以及测量设备，用于测试所述待测材料的电磁参数，设于所述恒温箱体周围。本实用新型材料电磁参数测量装置，通过设置恒温箱体、待测材料夹具，用于固定待测材料，设于所述恒温箱体内、测量设备，用于测试所述待测材料的电磁参数，设于所述恒温箱体周围，通过控制恒温箱内的环境温度连续变化，从而获取被测材料在不同温度T和频率F下的反射系数S11和穿透系数S12，可以对被测材料的电磁参数进行预测，预测精度较高。

Description

一种材料电磁参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及电磁参数测量技术领域，特别涉及一种材料电磁参数测量装置。

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，通常以复数形式ε(j,ω)＝ε’(j,ω)-jε"(j,ω),μ(j,ω)＝μ'(j,ω)-jμ"(j,ω)表示，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。

材料电磁参数测量装置现有设计中，一般是在固定的温度下测试的，获取的被测材料反射系数S11和穿透系数S12的数据单调，对被测材料的电磁参数预测的精度偏低。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种材料电磁参数测量装置，旨在解决现有被测材料的电磁参数预测的精度偏低的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种材料电磁参数测量装置，包括：

恒温箱体；

待测材料夹具，用于固定待测材料，设于所述恒温箱体内；以及测量设备，用于测试所述待测材料的电磁参数，设于所述恒温箱体周围。

优选地，所述测量设备包括喇叭天线、介质透镜、矢量网络分析仪、数据采集模块；所述矢量网络分析仪、介质透镜均与所述喇叭天线连接，所述数据采集模块与所述矢量网络分析仪连接；

其中，所述介质透镜用于聚焦所述天线的能量，将能量汇聚为辐射口径较小、更集中的窄波束。

优选地，所述恒温箱体设有腔体，所述腔体的内壁上粘贴有吸波材料。

优选地，所述待测材料夹具为L型支架。

优选地，所述测量设备还包括数据显示模块，用于显示测试结果。

优选地，所述天线为喇叭天线，所述喇叭天线包括第一喇叭天线和第二喇叭天线，所述矢量网络分析仪设有第一端口和第二端口，所述第一端口与所述第一喇叭天线连接，所述第二端口与所述第二喇叭天线连接。

优选地，所述L型支架为非金属支架。

优选地，所述第一喇叭天线与所述第二喇叭天线面对面设置。

优选地，所述恒温箱体外设有加热系统和冷却系统，所述加热系统和冷却系统与所述恒温箱体电连接。

优选地，所述恒温箱体内部温度变化范围为0-100°。

本实用新型材料电磁参数测量装置，通过设置恒温箱体、待测材料夹具，用于固定待测材料，设于所述恒温箱体内、测量设备，用于测试所述待测材料的电磁参数，设于所述恒温箱体周围，通过控制恒温箱内的环境温度连续变化，从而获取被测材料在不同温度T和频率F下的反射系数S11和穿透系数S12，可以对被测材料的电磁参数进行预测，预测精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型材料电磁参数测量装置一实施例的结构示意图；

图2为使用本实用新型材料电磁参数测量装置测试介电常数的流程。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种材料电磁参数测量装置。材料电磁参数测量装置用于在测量材料电磁参数中，本实用新型以可以在可变的温度下测试大量的数据为例解释本实用新型。

实施例一

在本实用新型一实施例中，图1为本实用新型材料电磁参数测量装置一实施例的结构示意图，如图1所示，一种材料电磁参数测量装置，至少包括：

恒温箱体；

待测材料夹具，用于固定待测材料，设于恒温箱体内；以及

测量设备，用于测试待测材料的电磁参数，设于恒温箱体周围。

测量设备包括喇叭天线、介质透镜、矢量网络分析仪、数据采集模块；喇叭与天线连接，矢量网络分析仪、介质透镜均与天线连接，数据采集模块与矢量网络分析仪连接；

其中，介质透镜用于聚焦喇叭天线的能量，将能量汇聚为辐射口径较小、更集中的窄波束。具体实施时，矢量网络分析仪可以采用Agilent8510C或者其他能进行矢量网络分析的型号，此处不构成对矢量网络分析仪的型号进行限制。喇叭天线是面天线，波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线，是使用最广泛的一类微波天线。它的辐射场是由喇叭的口面尺寸与传播型所决定的。其中，喇叭壁对辐射的影响可以利用几何绕射的原理来进行计算的。如果喇叭的长度保持不变，口面尺寸与二次方相位差会随着喇叭张角的增大而增大，但增益则不会随着口面尺寸变化。如果需要扩展喇叭的频带，则需要减小喇叭颈部与口面处的反射；反射会随着口面尺寸加大反而减小。喇叭天线的结构比较简单，方向图也比较简单而容易控制，一般作为中等方向性天线。频带宽、副瓣低和效率高的抛物反射面喇叭天线常用于微波中继通信。喇叭天线优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便。合理的选择喇叭尺寸，可以取得良好的辐射特性：相当尖锐的主瓣，较小副瓣和较高的增益。因此喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛，是一种常见的测试用天线。

喇叭天线的基本形式是把矩形波导和圆波导的开口面逐渐扩展而形成的，由于是波导开口面的逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小。从原理上来说，波导开口端和喇叭天线是很简单的天线，但严格求解它们的口径场及外场却相当困难。首先，波导开口端面上与喇叭口面上的场分布与无限长波导内的场分布不同，而且空间传播的TEM波也不同，是结构较为复杂的波。其次，在口面上除了入射波，还有反射波。再次，在口面上除了主波以外，还有高次波型。此外由于波导和喇叭的开放性结构，波导开口和喇叭开口边缘处和外壁上都有电流存在，它们也参与辐射。

待测材料可以是一种介质固体材料或者是粉末状组成的介质材料。

恒温箱体用于保持测量过程中待测材料的环境温度稳定，设有腔体，腔体的内壁上粘贴有吸波材料。吸波材料可以为现有技术中的聚乙酯材料。恒温箱体开有两个窗口，用于传输由喇叭天线经介质透镜聚焦辐射出的电磁波(能量)。两个窗口的位置与介质透镜在水平方向平行。

待测材料夹具可以承接平面型或者立体的材料；并且固定在测量工作台上。具体实施时，待测材料夹具可以设为L型、还可以根据待测材料的结构的实际需要设置成其他形状的支架，此处不对待测材料夹具的形状构成限制。L型支架可以为非金属材料制作的支架，例如由塑料制作，避免采用金属支架，是为了避免金属支架上的金属对反射构成影响，使腔内造成谐振。

测量设备还包括数据显示模块，用于显示测试结果。具体实施时，数据显示模块可以是液晶显示器等。

喇叭天线包括第一喇叭天线和第二喇叭天线，矢量网络分析仪设有第一端口和第二端口，第一端口与第一喇叭天线连接，第二端口与第二喇叭天线连接。第一喇叭天线和第二喇叭天线面对面设置，用来测量待测材料的反射系数S11和穿透系数S12。数据采集模块用于采集和处理所得的反射系数S11和穿透系数S12，并通过植入深度神经网络模型来计算测量数据。神经网络算法是一种可以适用高度非线性问题的生物学计算方法，已经广泛用于信息处理计算领域，并被证明是较为优秀的一种算法。将神经网络算法与计算电磁学方法结合的方法，利用计算电磁学的数值计算方法FEM(有限元)和FDTD(时域有限差分)等计算被测材料的穿透系数与反射系数，将相应计算结果作为训练序列对神经网络进行训练。当神经网络经过充分训练以后，可以通过输入穿透系数与反射系数的测量值，计算得到被测材料的有效介电常数和有效磁导率。

恒温箱体外设有加热系统和冷却系统，加热系统和冷却系统与恒温箱体电连接。通过加热系统和冷却系统，维持恒温箱体内的温度保持恒定，恒温箱体内部温度变化范围为0-100°。

图2为使用本实用新型材料电磁参数测量装置测试介电常数的流程。如图2所示，

S1、获取被测样品反射系数S11和穿透系数S12；

根据波导传输线法的原理，首先对本实用新型材料电磁参数测量装置进行校准，使用图1所示的装置，通过调节加热系统和冷却系统，控制恒温箱体内的环境温度连续变化，从而获取被测材料在不同温度T和频率F下的反射系数S11和穿透系数S12；

S2、将被测样品反射系数S11和穿透系数S12导入深度神经网络算法模型；

将获得的被测样品反射系数S11和穿透系数S12参数一部分用于深度神经网络训练，另一部分用于测试深度神经网络模型；

S3、所提出的深度神经网络算法模型的四个输入参数为温度T，工作频率F，反射系数S11，穿透系数S12，两个输出参数为介电常数实部ε’，介电常数虚部ε”；

其输入和输出的关系为：

Y(ε’)＝f[H₁(T,F,S11,S12),K1]；

Y(ε”)＝f[H₂(T,F,S11,S12),K2]；

其中，K₁为介电常数实部的误差项，K₂为介电常数虚部的误差项，H₁(T,F,S11,S12)、H₂(T,F,S11,S12)为传递函数。

S4、根据步骤S3的关系式，通过大量被测样品反射系数S11和穿透系数S12的训练之后，得到传递函数H₁(T,F,S11,S12)、H₂(T,F,S11,S12)和误差项K₁、K₂；

S5、获取预测值。

在介电常数测量过程中，将测量得到的被测样品反射系数S11、穿透系数S12和传递函数H₁(T,F,S11,S12)、H₂(T,F,S11,S12)，误差项K₁、K₂进行比对计算，即可得到高精度的预测值。

采用本实施例，通过设置恒温箱体、待测材料夹具，用于固定待测材料，设于恒温箱体内、测量设备，用于测试待测材料的电磁参数，设于恒温箱体周围，通过控制恒温箱内的环境温度连续变化，从而获取被测材料在不同温度T和频率F下的反射系数S11和穿透系数S12，可以对被测材料的电磁参数进行预测，预测精度较高。

实施例二

被测样品材料的频段选为8-12GHz，使用两个工作频率为8-12GHz的波导喇叭天线。介质透镜选为均匀实心的介质球，介电常数为2.53，直径为80mm；两个介质透镜之间的距离设为0.5m；介质透镜的安装高度设为0.3m。

可调恒温箱体外壳设为一种由绝缘材料组成的正方体，该恒温箱的两侧分别预留一个窗口，避免波导喇叭的电磁波能量损耗；恒温箱体外接入加热和冷却系统，通过加热和冷却系统，可将恒温箱体内部温度调节为0-100度。

被测样品材料选为一种树脂类的介质材料，厚度为2mm，长宽为200mm。首先进行本实用新型材料电磁参数测量装置的校准，然后调节温度以步进为1°，在0-100°之间变化时，分别测得待测样品得被测样品反射系数S11和穿透系数S12；重复测量20次，共得到2000个数据组。

将2000个数据组中的1600个数据组用于深度神经网络训练，剩下的400个数据组用于测试训练所得的的数据。

当得到的介电常数实部ε’的平方和介电常数虚部ε”的平方误差分别小于0.020～0.024和0.028～0.032时，即(ε’)²＜(0.020～0.024)且(ε”)²＜(0.028～0.032)0.03时，说明测量结果与预测的结果是一致的，训练结束；得到传递函数H1，H2和误差项K1,K2；

本实施例对树脂样品进行了测量，在室温为25度的情况下，本实施例预测的结果与真实值的比较如下：

由该结果可知，本实施例所得到的预测值与真实值相比，误差控制在5％内，具有较高的预测精度。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种材料电磁参数测量装置，其特征在于，包括：

恒温箱体；

待测材料夹具，用于固定待测材料，设于所述恒温箱体内；以及

测量设备，用于测试所述待测材料的电磁参数，设于所述恒温箱体周围。

2.如权利要求1所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述测量设备包括天线、介质透镜、矢量网络分析仪、数据采集模块；所述矢量网络分析仪、介质透镜均与所述天线连接，所述数据采集模块与所述矢量网络分析仪连接；

3.如权利要求1所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述恒温箱体设有腔体，所述腔体的内壁上粘贴有吸波材料。

4.如权利要求1所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述待测材料夹具为L型支架。

5.如权利要求2所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述测量设备还包括数据显示模块，用于显示测试结果。

6.如权利要求2所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述天线为喇叭天线，所述喇叭天线包括第一喇叭天线和第二喇叭天线，所述矢量网络分析仪设有第一端口和第二端口，所述第一端口与所述第一喇叭天线连接，所述第二端口与所述第二喇叭天线连接。

7.如权利要求4所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述L型支架为非金属支架。

8.如权利要求6所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述第一喇叭天线与所述第二喇叭天线面对面设置。

9.如权利要求1至7中任意一项所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述恒温箱体外设有加热系统和冷却系统，所述加热系统和冷却系统与所述恒温箱体电连接。

10.如权利要求1至7中任意一项所述的材料电磁参数测量装置，其特征在于，所述恒温箱体内部温度变化范围为0-100°。