本发明提供了一种固体介质材料微波特性参数测量的系统和方法，该方法利用传输/反射法建立测量模型，并通过两次设置变量简化了传输/反射法的求解过程。系统采用了同轴线传输与波导线传输相结合的方式，实现了在30MHz~50GHz的宽频段范围内对被测介质的电磁参数进行测量的目的。而在测量过程中对波导夹具进行调整，避免了测量被测介质时出现的厚度谐振问题。综上所述，本发明的系统和方法测量电磁参数过程简单，易于通过计算机等辅助设备求解，且测量范围较宽，求解更精确，也避免了厚度谐振问题的出现。
1.一种固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立固体材料微波特性的二端口网络测量模型；
S2：对所述二端口网络测量模型进行调整，以避免被测介质出现厚度谐振；
S3：对调整后的二端口网络的反射参数S11和传输参数S21进行测量；
S4：根据测量得到的反射参数S11和传输参数S21求解介质材料的微波特性参数；
S31：使用传输反射法在30MHz～18GHz频段采用同轴线传输；测量在30MHz～18GHz频段范围内的反射参数S11和传输参数S21；
S32：使用传输反射法在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段采用波导传输，并测量在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段范围内的反射参数S11和传输参数S21；
所述步骤S2中对所述二端口网络测量模型进行调整具体为对所述波导夹具进行调整；
对所述波导夹具进行调整具体为：采用一厚度为λ/4的偏移片作为测试夹具，将一定厚度的被测介质材料放置其中，其中，λ为测量所用的电磁波的波长。
2.根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述波导为定制波导，按照18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段，对应18GHz～
26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz三个频段的三种规格的波导。
3.根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述二端口网络测量模型包括被测介质、测试夹具，所述被测介质置于所述测试夹具内，设被测介质均匀分布、各向同性、厚度为d，填充同轴线或波导时，与所述同轴线或波导内腔贴合，被测介质在所述同轴线或波导内腔内具有两端面，两端面均与同轴线或波导内腔内的空气接触；测量时，频率为f 线极化均匀平面波Ei由空气向所述被测介质的一个端面垂直入射，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波进入被测介质材料并向前传播，在被测介质的另一端面又遇到不连续性，其中一部分电磁波又被反射，另一部分电磁波透过该另一端面继续向前传播，形成透射波。
4.根据权利要求3所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，依传输线法测量原理有：εr＝k(1-Γ)/[k0(1+Γ)] (1)
其中，μr为被测介质的复磁导率，εr为被测介质的复介电常数，Г为反射系数，T为传输系数， μ0为真空的复磁导率，ε0为真空的复介电常数，ω为电磁波的角频率；
设中间变量V1＝S21+S11，V2＝S21-S11，另一中间变量 则有。
5.根据权利要求4所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述步骤S31中的采用同轴线传输时，设两个中间变量C1、C2，其中，其中，f为频率，d为被测介质厚度，C0为真空中的光速；
6.根据权利要求4所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述步骤S32中的进行波导线传输时，按式(11)求解填充试样的衰减量Λ：则有：
其中，λ0为空气中的工作波长，λ0＝c/f，c为光速，f为频率，λc为介质波长，εr和μr分别为被测介质的复相对介电常数和复相对磁导率：εr＝εr′-jεr″，μr＝μr′-jμr″，其中，ε′为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，μ′为相对磁导率实部，μ″为相对磁导率虚部。
7.根据权利要求1所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所述同轴线为N型空气线。
8.根据权利要求5或6所述的固体介质材料微波特性参数测量方法，其特征在于，所部步骤S4具体为：计算μr和εr，同时按下式计算电介质损耗正切值 和磁介质损耗正切值其中，ε′为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，μ′为相对磁导率实部，μ″为相对磁导率虚部。
9.一种固体介质材料微波特性参数测量系统，其特征在于，包括：矢量网络分析仪及其附件、测试夹具、第一测试电缆和第二测试电缆组成，所述测试夹具用于在其内部纵向放置被测材料，放置有被测材料的测试夹具等效为一二端口网络，所述第一测试电缆与所述测试夹具的一端相连，所述第二测试电缆与所述测试夹具的另一端相连，所述第一测试电缆和第二测试电缆分别与所述矢量网络分析仪连接，所述矢量网络分析仪用于测量二端口网络的反射参数S11和传输参数S21；还包括厚度为λ/4的偏移片，λ为测量所用的电磁波的波长，所述偏移片用于调整波导夹具以测量空气的介电常数值。
10.根据权利要求9所述的固体介质材料微波特性参数测量系统，其特征在于，该系统对固体介质材料微波特性参数测量时，在30MHz～18GHz频段，由N型空气线的同轴线作为测试夹具；在18GHz～50GHz由波导作为测试夹具。
一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料的电磁参数测量技术领域，特别涉及一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法。
背景技术
[0002] 由麦克斯韦电磁场理论可知，能够用两个基本的电磁参数来表征材料与电磁场的相互作用，描述材料在电磁场中的电磁特性，这两个电磁参数即为相对复介电常数和相对复磁导率。然而对材料电磁参数的提取，须通过实验的方法获得。因此，随着材料在电子对抗方面的发展和应用，材料电磁参数的测量也起到越来越重要的作用。
[0003] 电磁参数测量的方法按电磁参数测量原理的不同，可分为两类，分别为网络参数法和谐振腔法。近年来，随着矢量网络分析仪(vector network analyzer，VNA)技术的发展，网络参数法得到了广泛的应用。该类方法将被测介质及其传感器等效为单端口或双端口网络，利用矢量网络分析仪测量得到该网络的反射系数或散射矩阵，再根据相应的算法计算被测材料的电磁参数。该类方法主要有传输反射法、自由空间法、多状态法及多厚度法等。其中，传输/反射法是一种最简单而且具有较高精度的一种材料电磁参数的测量方法。这种方法实际上是一种双端口传输线法，将待测材料样品置于空气传输线(矩形波导或者同轴线)中，通过矢量网络分析仪(VNA)或多端口技术测量该传输线的散射参数，再根据散射方差推算处待测介质传输线段的传输系数和反射系数，最后计算出材料的相对复介电常数和相对复磁导率。
[0004] 现有的传输/反射法中，由Nicolson和Ross提出、Weil拓展的传输/反射法(也即NRW传输/反射法)具有操作简单、测量速度快、测量频带宽、无辐射损耗及测量精度较高等优点而得到广泛应用，但该方法往往存在着厚度谐振问题。厚度谐振是指测试样品厚度刚好是半个波导波长的整数倍时，导致复介电常数的测量不确定度增大。此外，现有的测量系统往往测量频段范围较窄，且传输/反射法中测量电磁参数的求解过程复杂。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法，以解决现有技术中传输/反射法测量被测介质时出现的厚度谐振的问题。
[0006] 本发明的第二目的在于，提供一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法，以实现在30MHz～50GHz的宽频段范围内对被测介质的电磁参数进行测量。
[0007] 本发明的第三目的在于，提供一种固体介质材料微波特性参数测量系统及方法，以实现简化传输/反射法中测量电磁参数的求解过程，并获得为更精确的电磁参数测试结果。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种固体介质材料微波特性参数测量方法，包括以下步骤：
[0009] S1：建立固体材料微波特性的二端口网络测量模型；
[0010] S2：对所述二端口网络测量模型进行调整，以避免被测介质出现厚度谐振；
[0011] S3：对调整后的二端口网络的参数S11和S21进行测量；
[0012] S4：根据测量得到的S11和S21求解介质材料的微波特性参数；
[0013] 其中：所述步骤S3具体包括：
[0014] S31：使用传输反射法在30MHz～18GHz频段采用同轴线传输；测量在30MHz～18GHz频段范围内的S11和S21；
[0015] S32：使用传输反射法在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段采用波导传输，并测量在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段范围内的S11和S21。
[0016] 较佳地，所述波导为定制波导，按照18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段，对应18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz三个频段的三种规格的波导。
[0017] 较佳地，所述二端口网络测量模型包括被测介质、测试夹具，所述被测介质置于所述测试夹具内，设被测介质均匀分布、各向同性、厚度为d，填充同轴 线或波导时，与所述同轴线或波导内腔贴合，被测介质在所述同轴线或波导内腔内具有两端面，两端面均与同轴线或波导内腔内的空气接触；测量时，频率为f线极化均匀平面波Ei由空气中向所述被测介质的一个端面垂直入射，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波进入被测介质材料并向前传播，在被测介质的另一端面又遇到不连续性，其中一部分电磁波又被反射，另一部分电磁波透过该交界面继续向前传播，形成透射波。
[0018] 较佳地，所述步骤S2中对所述二端口网络测量模型进行调整具体为对所述波导夹具进行调整。
[0019] 较佳地，对所述波导夹具进行调整具体为：采用一厚度为λ/4的偏移片作为测试夹具，将一定厚度的被测介质材料放置其中，其中，λ为测量所用的电磁波的波长。
[0020] 较佳地，依传输线法测量原理有：
[0021] εr＝k(1-Γ)/[k0(1+Γ)] (1)
[0022] μr＝k(1+Γ)/[k0(1-Γ)] (2)
[0023]
[0024]
[0025] 其中，μr为被测介质的复磁导率，εr为被测介质的复介电常数，Г为反射系数，T为传输系数， μ0为真空的复磁导率，ε0为真空的复介电常数，ω为电磁波的角频率；
[0026] 设中间变量V1＝S21+S11，V2＝S21-S11，另一中间变量 则有
[0027]
[0028] 。
[0029] 较佳地，所述步骤S31中的采用同轴线传输时，设两个中间变量C1、C2，其中，[0030]
[0031]
[0032] 其中，f为频率，d为被测介质厚度，C0为真空中的光速；
[0033] 则有，
[0034]
[0035] 。
[0036] 较佳地，所述步骤S32中的进行波导线传输时，按式(11)求解填充试样的衰减量Λ：
[0037]
[0038] 则有：
[0039]
[0040]
[0041] 其中，λ0为空气中的工作波长，λ0＝c/f，c为光速，f为频率，λc为介质波长，εr和μr分别为被测介质的复相对介电常数和复相对磁导率：εr＝εr'-jεr″，μr＝μr'-jμr″，其中，ε'为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，μ'为 相对磁导率实部，μ″为相对磁导率虚部。
[0042] 较佳地，所述同轴线为N型空气线。
[0043] 较佳地，所部步骤S4具体为：计算μr和εr，同时按下式计算电介质损耗正切值和磁介质损耗正切值 ：
[0044]
[0045]
[0046] 其中，ε'为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，μ'为相对磁导率实部，μ″为相对磁导率虚部。
[0047] 本发明还提供了一种固体介质材料微波特性参数测量系统，包括：矢量网络分析仪及其附件、测试夹具、第一测试电缆和第二测试电缆组成，所述测试夹具用于在其内部纵向放置被测材料，放置有被测材料的测试夹具等效为一二端口网络，所述第一测试电缆与所述测试夹具的一端相连，所述第二测试电缆与所述测试夹具的另一端相连，所述第一测试电缆和第二测试电缆分别与所述矢量网络分析仪连接，所述矢量网络分析仪用于测量二端口网络的S11和S21；还包括厚度为λ/4的偏移片，λ为测量所用的电磁波的波长，所述偏移片用于调整波导夹具以测量空气的介电常数值。
[0048] 较佳地，该系统对固体介质材料微波特性参数测量时，在30MHz～18GHz频段，由N型空气线的同轴线作为测试夹具；在18GHz～50GHz由波导作为测试夹具。
[0049] 本发明所提供的系统和方法通过传输/反射法建立测量模型，并通过两次设置变量简化了传输/反射法的求解过程。采用的同轴线传输与波导线传输相结合的方式，实现了在30MHz～50GHz的宽频段范围内对被测介质的电磁参数进行 测量的目的。而在测量过程中对波导夹具进行调整，避免了测量被测介质时出现的厚度谐振问题。综上所述，本发明的系统和方法测量电磁参数过程简单，易于通过计算机等辅助设备求解，且测量范围较宽，求解更精确，也避免了厚度谐振问题的出现。
附图说明
[0050] 图1为同轴线和波导线测试微波特性参数模型图；
[0051] 图2为本发明提供的方法的步骤流程图；
[0052] 图3为本发明实施例所测得的被测介质介电常数εr的实部谱图；
[0053] 图4为本发明实施例所测得的被测介质介电常数εr的虚部谱图；
[0054] 图5为本发明实施例所测得的被测介质磁导率μr的实部谱图；
[0055] 图6为本发明实施例所测得的被测介质磁导率μr的虚部谱图；
[0056] 图7为本发明实施例所测得的被测介质的电介质损耗正切值谱图；
[0057] 图8为本发明实施例所测得的被测介质的磁介质损耗正切值谱图。
具体实施方式
[0058] 以下将结合附图1至图对本发明提供的系统测量固体介质材料微波特性参数的过程及其使用的设备进行详细的描述，其为本发明的一优选实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。
[0059] 本实施例提供的一种固体介质材料微波特性参数测量系统包括：矢量网络分析仪及其附件、测试夹具、第一测试电缆和第二测试电缆，其中，测试夹具用于在其内部纵向放置被测材料。该系统在进行固体介质材料微波特性参数测 量时，在30MHz～18GHz频段，由N型空气线的同轴线作为测试夹具；在18GHz～50GHz频段由波导线作为测试夹具。
[0060] 放置有被测材料的测试夹具等效为一二端口网络，第一测试电缆与测试夹具的一端相连，第二测试电缆与测试夹具的另一端相连，第一测试电缆和第二测试电缆分别与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪用于测量二端口网络的S11和S21。本实施例中的矢量网络分析仪采用了ZVA50矢量网络分析仪。
[0061] 请参考图2，本实施例提供了一种固体介质材料微波特性参数测量方法，包括以下步骤：
[0062] S1：建立固体材料微波特性的二端口网络测量模型。
[0063] 如图1所示，设被测介质均匀分布、各向同性、厚度为d，填充同轴线或波导时，与所述同轴线或波导内腔贴合，被测介质在所述同轴线或波导内腔内具有两端面，两端面均与同轴线或波导内腔内的空气接触；测量时，频率为f线极化均匀平面波Ei由空气中向所述被测介质的一个端面垂直入射，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波进入被测介质材料并向前传播，在被测介质的另一端面又遇到不连续性，其中一部分电磁波又被反射，另一部分电磁波透过该交界面继续向前传播，形成透射波。
[0064] 依传输线法测量原理有：
[0065] εr＝k(1-Γ)/[k0(1+Γ)] (1)
[0066] μr＝k(1+Γ)/[k0(1-Γ)] (2)
[0067]
[0068]
[0069] 其中，μr为被测介质的复磁导率，εr为被测介质的复介电常数，Г为反射系数，T为传输系数， μ0为真空的复磁导率，ε0为真空的复介电常数；
[0070] 第一次设中间变量V1＝S21+S11，V2＝S21-S11，另一中间变量则有
[0071]
[0072] 。
[0073] S2：对所述二端口网络测量模型进行调整，以避免被测介质出现厚度谐振。
[0074] 通过矢量网络分析仪测量所述S11和S21。本实施例中，使用的矢量网络分析仪测量S11和S21时，首先采用二端口TRL校准方法将矢量网络分析仪的PORT1和PORT2分别通过第一电缆、第二电缆与包含被测介质样样品的传输线或波导线相连进行测量。
[0075] 其中，所述步骤S5中进一步包括：对波导夹具进行调整以避免被测介质出现厚度谐振。对波导夹具进行调整具体为：选择厚度为λ/4的偏移片测量空气的介电常数值。
[0076] 采用传输/反射法在波导段进行测试时，当频率与在样品中的半波长的倍数相符合时，将出现数字不稳定性，引起这个不稳定性的原因有以下几方面：
[0077] 一是厚度谐振:当式样厚度超过四分之一波长时，测试结果会出现较大的偏差，T的模值趋向于1，按照以下公式：
[0078]
[0079] 上述式中，当 趋向于0时，介电常数也趋向于0，出现不稳定值。
[0080] 二是部分是测量波导的夹具本身的厚度对测量结果的影响，当设计的波导夹具为了兼顾所测各类样品长度，经常需要增加厚度，这不仅增加了加工难度，而且容易在四分之一波长处造成谐振点，介电常数出现峰值明显。
[0081] 根据这种情况，选择厚度为λ/4的偏移片作为测试夹具，将一定厚度的被 测介质材料放置其中，λ为测量所用的电磁波的波长。
[0082] S3：对调整后的二端口网络的参数S11和S21进行测量。
[0083] 其中：步骤S3具体包括：
[0084] S31：使用传输反射法在30MHz～18GHz频段采用同轴线传输；测量在30MHz～18GHz频段范围内的S11和S21。
[0085] 同轴线为N型空气线。
[0086] 采用同轴线传输时，第二次设两个中间变量C1、C2，令：
[0087]
[0088]
[0089] 依传输线法测量原理则有：
[0090]
[0091]
[0092] 变量C1、C2的设置，使得每次计算变量参数时，求解过程仅与一个参数有关，如计算C1时，仅与求解的Г值有关，计算C2时，仅与求解的T值有关，再根据C1、C2值计算电磁参数μr和εr。这种求解方法降低了计算机等辅助设备的计算复杂度，也从计算过程上降低了计算时测量的参数对计算结果精确度的影响。
[0093] S32：使用传输反射法在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段采用波导传输，并测量在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段范围内的S11和S21。
[0094] 波导为定制波导，其制备方法为：在18GHz～26.5GHz、26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段，按照该三种频段范围，选择一定横截面长度、规格的波导，按照被测介质材料的属性设置波导夹具的厚度，然后使用HFSS仿真软件对按照 上述步骤形成的波导进行散射参数仿真计算，得到符合设计要求的波导，，并根据计算得到的尺寸加工18GHz～26.5GHz、
26.5GHz～40GHz、40GHz～50GHz频段对应的三种不同规格的波导。
[0095] 进行波导线传输时，按式(11)求解填充试样的衰减量Λ：
[0096]
[0097] 则有：
[0098]
[0099]
[0100] 其中，λ0为空气中的工作波长，λ0＝c/f，c为光速，f为频率，λc为介质波长，εr和μr分别为被测介质的复相对介电常数和复相对磁导率：εr＝εr'-jεr″，μr＝μr′-jμr″。
[0101] S4：根据上述测量得到S11和S21求解介质材料的微波特性参数。
[0102] 对于同轴线传输时，按式(9)(10)计算μr和εr，对于波导传输时，按式(12)(13)计算μr和εr。同时按下式计算电介质损耗正切值 和磁介质损耗正切值 ：
[0103]
[0104]
[0105] 其中，ε'为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，μ'为相对磁导率实部，μ″为相对磁导率虚部。
[0106] 如图3所示，被测介质为空气时的介电常数εr实部的实测值最大值1.0186，最小值0.98596，测量误差在±1.8％以内。
[0107] 如图4所示，被测介质为空气时的介电常数εr虚部的实测值最大值0.01396，最小值-0.01872，测量误差在±1.8％以内。
[0108] 如图5所示，被测介质为空气时的磁导率μr实部的实测值最大值1.0365，最小值0.9907，测量误差在±4％以内。
[0109] 如图6所示，被测介质为空气时的磁导率μr虚部实测值最大值0.01497，最小值-0.01761，测量误差在±2％以内。
[0110] 如图7所示，被测介质为空气时的电介质损耗正切实测值最大值0.01397，最小值-0.01761，测量误差在±2％以内。
[0111] 如图8所示，被测介质为空气时的磁损耗正切实测值最大值0.01478，最小值-0.01724，测量误差在±2％以内。
[0112] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。
