用自由空间法测试介质电磁参数_唐宗熙(2)

190电 子 学 报 2006年

2 测试原理

设理想被测板状介质样品材料的厚度为d,横向尺寸为无穷大,复介电常数可写为

E=EcnD(1)0Er(1-jtaE)

式中,Ec0为真空中的电容率,Er为相对介电常数的实部,tanDE为电损耗角正切.复磁导率可写为

L=LcnD(2)0Lr(1-jtaL)

式中L0为真空中的磁导率,Lcr为相对磁导率的实部,tanDL为磁损耗角正切.被测介质板终端无短路板情况如图1(a)所示,自由空间的线极化平面波向被测板状介质材料样品垂直入射,极化为x方向.电磁波在透过介质板后继续向z方向传播,对其进行测试,可测得样品板构成二端口网络的S21散射参数.图1(b)为介质板终端加短路板的情况,电磁波在进入介质板后在z=d处进行全反射,该反射波与z=0处的反射波迭加在一起,沿-z方向传播,对其测试可得由样品板构成的单端口网络的S11散射参数.从麦克斯韦方程和边界条件出发,可得求解介质材料微波电磁参数的表

达式

面波[7].将被测板状样品材料的输入面置于焦平面处,线极化平面波向样品板入射.在透过厚度为d的样品板后,电磁波的幅度和相位将发生改变.待测电磁波信号经接收聚焦透镜天线和模式转换器后,进入矢量网络分析仪的端口2进行S21散射参数的测试.同理,将图2中样品架的被测板状样品输出端用良导金属平板短路,电磁波在金属短路板处将产生全反射,在板状样品输入端的反射信号将返回矢量网络分析仪的端口1,通过对反射信号的测试便可测得单面短路样品板作为单端口网络的S11散射参数.将测试的S11和S21代入式(3)~(4),便可解得介质材料的电磁参数,从而完成测试工作.

在进行介质材料测试之前,必须对测试系统进行校准.本文采用TRL方法进行校准,该校准方法不仅适用于许多特殊环境的校准,而且校准的剩余误差也较小[7].在校准之前,将矢量网络分析仪内存的校准件参数作相应地更改,以适应自由空间TRL方法的校准.选定两透镜天线的共焦面作为参考

S11(1+

rr)+(1-r/Er)]e

2

-j2X

rr)+[S11(1-=0rr)e

2-j2X

rr)

(3)

]

(4)

面,在共焦面处未放被测样品材料的情况下进行直通校准;然

后在共焦面处放置短路板,在该状态下,对输入和输出端进行反射校准;最后,将两聚焦透镜天线的相对距离增加四分之一中心频率的波长进行传输校准,从而完成校准工作.将校准数据存入矢量网络分析仪的内存,以便在测试时进行误差修正调用.

为了提高测试精度和稳定性,矢量网络分析仪应选用频综扫源;校准和测试时,适当增加矢量网络分析仪的平均次数,以减小噪声对测试结果的影响;为了提高校准精度,短路板校准件的平面度和光滑度均有较高要求,且选用导电性能好的硬金属材料制作;两透镜天线的间距变化采用精密传动和测距,测距的精度应优于0.01mm;为了减小发射天线出来的电磁波绕过被测样品进入接收天线给测试带来的影响,被测样品的横截面尺寸应适当取大一点,一般取中心频率的六倍波长以上;为了克服信号源与被测样品之间存在的无穷反射给测试带来的影响,本文采用矢量网络分析仪的时域门技术,从而有效地提高了测试精度.

+(1+ S21[(1+ -4

rr)-(1-rre

-jX

=0

式中,X为测试信号的角频率,Er为复相对介电常数,Lr为

复相对磁导率,S21为图1(a)所示情况下的散射参数,S11为图1(b)所示情况下的散射参数.在分别测得S21和S11散射参数后,将式(3)~(4)联立求解可得被测材料的电磁参数.若网络分析仪为扫频工作,在每一测试频率点重复上述过程,可测得微波介质材料电磁参数随频率变化特性.

3 测试系统

微波介质材料电磁参数测试系统如图2所示,微波信号由微波扫频源产生,发射和接收天线均为聚焦透镜天线,两天线的间距为天线焦距的2倍,被测样品放在两天线的共焦面处.微波信号从矢量网络分析仪的端口1输出,传输线为同轴线,传输的电磁波为TEM波.为了在被测样品处获得线极化平面波,在电磁波发射之前,应将同轴线的TEM波转化为矩形波导的TE10波,图2中的模式转换器将完成这一波型转换.由模式转换器出来的波进入聚焦透镜天线后向空间发射,然后在透镜天线的焦平面处会聚.设计时,适当选择聚焦透镜天似为远平

4 实验结果

按照图2的方框图组建微波介质材料电磁参数测试系统,该测试系统的工作频率为8~12GHz,微波信号源为HP8341,网络分析仪为HP8510B,平均因子取64,用TRL方法对测试系统进行校准,并采用时域门技术.通过实测,,即S