微波吸收材料的复介电常数和复磁导率的测试方法及系统技术方案

一种微波吸收材料的复介电常数ε和复导磁率μ的测试方法和系统。用微波干涉方法，定标技术和比对测量的方法，得到散射系统Ｓ－［１１］和Ｓ－［２１］。该系统包括微波信号单元，能进行四种不同测量转换的放样品装置和Ｓ参数测量单元。后者由衰减器、驻波测量线、隔离器、功率传感器和指示器组成。本系统建立容易，操作简单，价格低。其测量精度不低于用微波矢量网络分析仪所获得的结果。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波吸收材料的复介电常数和复导磁率的测试方法及系统。由于射频到微波频谱应用的发展，特别是作为研究天然材料，人工合成材料和生物体组织的重要手段，以及在通讯和电子对抗方面的应用，测量各种有机和无机的电介质、半导体、铁氧体等的复介电常数ε＝ε′-jε″和复导磁率μ＝μ′-jμ″愈来愈增加它的重要性，对于中、低损耗材料已有许多可靠的测量方法;对于高损耗材料，过去广泛采用测量线的开路-短路法，但当样品损耗增高时，该方法的测量误差显著升高，灵敏度下降，其测量结果难以满足要求。ADA 100764、ADA120577介绍了利用微波矢量网络分析仪测量放样品装置的两个散射系统S11和S21，按有关公式计算微波吸收材料的复导磁率。这个测试系统由微波信号源，用于测量散射系数S11和S21的放样品装置以及微波矢量网络分析仪构成，利用计算机准确度提高技术，可以满足目前的要求。然而，微波矢量网络分析仪不具备直接测量材料电磁参数的功能，当需要这方面应用时，还要解决一些特殊的技术问题和计算程序。例如要自行设计带状线或其他结构的放样品装置，及与这些结构有关的转换接头;或配置高性能的同轴-波导转换。这些都是高难度的工作，且往往不易得到满意的结果。尽管微波矢量网络分析仪的上限频率已达到100GHz，但用它来测量ε、μ的最高频率约为20GHz。此外，该类网络分析仪价格昂贵(hp公司的8510A型，到20GHz的全套仪器售价18万美元)。本专利技术的目的是提供一种微波吸收材料的复介电常数和复导磁率的测试方法和系统。采用通常的微波元器件和电子仪器构成干涉单元和能进行四种不同测量转换的放样品装置，采用定标技术和比对测量方法，实现用低价仪器高精度测量高损耗材料的基本电磁参数。为了达到上述目的，本专利技术采取了下列措施S参数测量单元用微波干涉方法;放样品装置用于参考信号对S11和S21的定标测量、反射测量、透射测量的转换;利用定标技术和比对测量方法得到散射系数S11和S21。所说的定标技术和比对测量方法是在测量S11和S21之前，分别将参考信号进行定标测量，然后分别测量从样品反射和透射的信号与参考信号进行干涉后的驻波节点和衰减器读数相对应于定标时的变化来获得散射系数S11和S21。S参数测量单元是由衰减器、驻波测量线、隔离器、功率传感器和指示器所组成。能进行四种不同测量转换的放样品装置含有对参考信号进行两种定标的元件。本专利技术可以用现成的微波元、器件和电子仪器组合而成，不需另外设计放样品的装置。样品是容易加工的长方体，建立系统与操作均比较简单，不需计算机进行误差修正，适用于3～40GHz的宽广频段，每一波导频段的价格不超过3万元人民币，但能得到的测量精度不低于用微波网络分析仪所获得的结果。下面结合附图作进一步详细说明。附图是微波吸收材料的电磁参数测试系统的框图。微波锁相信号源(1)通过隔离器(2)、10dB定向耦合器(3)将信号分成两部分，其中一部分通过隔离器(4)、3dB定向耦合(5)和匹配负载(6)输出源信号(Ⅱ)进入放样品的波导段(19)后，被匹配负载(22)吸收。其反射信号(Ⅲ)和透射信号(Ⅳ)分别通过两个10dB定向耦合器(15)和(21)馈出。通过波导开关(23)选取其中一个进入隔离器(14)到驻波测量线(11)。从定向耦合器(3)出来的另一部分信号(Ⅰ)通过隔离器(7)、可变衰减器(8)和精密回转式可变衰减器(9)输出参考信号，进入隔离器(10)到驻波测量线(11)。在测量线(11)中幅度可调节的参考信号与经定向耦合器出来的反射信号(或透射信号)进行干涉，形成驻波。用高灵敏度的微波功率传感器(10-9～10-10瓦)(12)和功率指示器(13)进行探测和指示。波导开关(16)由两个波导开关装成，能工作在(a)、(b)、(c)三个位置，当(16)在位置(a)时，与S11的定标元件(17)接通，用于参考信号对S11的定标测量。当(16)在位置(b)时，与S21的定标元件(18)接通;当(16)在位置(c)时，与放样品的波导段(19)接通。(18)、(19)是一段具有同样长度的波导，波导开关(20)可以分别与(18)、(19)接通。当(16)在(b)处，(20)在(d)处，则用于对参考信号S21的定标测量;当(16)在(c)处，(20)在(e)处，配合波导开关(23)则可分别进行反射和透射测量。参考信号进行两种定标的元件是由一节短波导和短路板构成和单独由一节波导构成。系统中(1)～(6)的作用是把微波信号分成足够隔离度的两路，即参考信号(Ⅰ)和源信号(Ⅱ)。(7)～(14)构成微波干涉单元，这里测量线起精密相位计的作用。(15)～(23)构成用于参考信号对S11和S21的定标测量、反射和透射测量转换的放样品装置。其中(15)、(16)、(18)、(20)、(21)、(22)构成对S21的定标支路，(15)、(16)、(19)、(20)、(21)、(22)构成放样品的支路。当后者不含样品时，这两个支路具有完全相同的衰减和相位性能。而(15)、(16)、(17)构成对S11的定标支路，它与(15)、(16)和(19)在放样品基准面MN处短路时所构成的支路有着完全相同的衰减和相位性能。当利用这些定标支路按定标技术同样品支路进行比对测量时就能排除系统的相位和衰减的误差，获得准确的散射系数S11和S21。因此，本专利技术的要点在于测量、定标方法即用两次定标测量，一次反射测量和一次透射测量来求取散射系数S11和S21，即当波导开关(16)、(20)和(23)在不同位置时，就能进行上述四种不同的测量(一)参考信号对S11的定标测量波导开关(16)在(a)处，(23)在(f)处。(二)反射测量波导开关(16)在(c)处，(23)在(f)处，(20)在(e)处。(三)参考信号对S21的定标测量波导开关(16)在(b)处，(20)在(d)处，(23)在(g)处。(四)透射测量波导开关(16)在(c)处，(20)在(e)处，(23)在(g)处。从(一)、(二)测量获得S11。从(三)、(四)测量获得S21。用公式说明如下S11＝exp〔-(0.11513Ar+jφr)〕，φr＝π- (4πPr)/(λg) ;S21＝exp〔-(0.11513At+jφt)〕，φt＝ (4πPt)/(λg) + (2πl)/(λg) 。式中λg为波导波长(cm)，l为样品长度(cm);Ar＝Ari-Aro＝反射测量的衰减器读数(dB)-S11定标的衰减器读数(dB)。Pr=Pro-Pri+n (λg)/2 ＝〔S11定标测量驻波节点位置(cm)-反射测量的驻波节点位置(cm)+ 1/2 整数倍波导波长〕＜ 1/2 波导波长。At＝Aei-Aeo＝透射测量的衰减器读数(dB)-S21定标测量的衰减器读数(dB)。Pt＝Pti-Pto＝透射测量的驻波节点位置(cm)-对S21定标测量时的驻波节点位置(cm)。从S11、S21计算ε、μ按ADA100764报告的公式(但杩悸荰E01波与TEM波的区别)进行。故只需将信号源的频率f，样品厚度l，散射系数S11和S21输入计算机，就可打印出材料的复介电系数ε＝ε′-jε″和复导磁率μ＝μ′-jμ″。用聚四氟乙烯样品的测量结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波吸收材料的电磁参数测试方法，利用Ｓ参数测量单元，测量放样品装置（含样品）的两个散射系数Ｓ↓〔１１〕和Ｓ↓〔２１〕，计算材料的复介电常数ε和复导磁率μ，其特征在于所说的参数测量单元用微波干涉方法，所说的放样品装置能进行四种不同测量的转换，利用定标技术和比对测量方法得到散射系数Ｓ↓〔１１〕和Ｓ↓〔２１〕。所说的定标技术和比对测量方法是在测量Ｓ↓〔１１〕和Ｓ↓〔２１〕之前，分别将参考信号对Ｓ↓〔１１〕和Ｓ↓〔２１〕进行定标测量，然后分别测量从样品反射和透射的信号同参考信号进进行干涉后的驻波节点和衰减器读数相对于定标时的变化来获得散射系数Ｓ↓〔１１〕和Ｓ↓〔２１〕。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：倪尔湖，施铁矛，张志鸣，沈建华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]