幸运农场绝招 www.qxwt.net 任何材料都会对入射到此材料的电磁波产生影响,例如,部分电磁波能量会被反射回入射的方向,也有部分可能会被透射到材料的另外的表面,还有部分电磁波能量会被消耗在材料中并转换成为其他形式的能量,例如变成热能。

 
不同的材料对不同频率和能量的入射电磁波可能会有不同的特性表现。例如,眼镜镜片就是我们用于对光波(很高频率的电磁波)进行影响的一种材料。一般的视力校正镜片希望入射的光波能量全部从镜片的另外一个表面透射出来,而墨镜镜片主要是将入射的光波消耗掉(或反射回入射方向,例如表面金属镀膜),不同颜色的墨镜对不同频率(颜色)的光波的透射消耗不同。
 
 
测量目标
· 介电常数:是描述材料与电场相互作用的一个量。一般为复数,其实部(ε’)表征外部电场中存储于材料中的能量,虚部( ε’’)表征外部电场在材料中消耗的能量。对于不同方向的电场,材料的介电常数可能不同。
 
· 磁导率:是描述材料与磁场相互作用的一个量。一般也为复数,同样其实部(μ’)表征外部磁场中存储于材料中的能量,虚部( μ’’)表征外部磁场在材料中消耗的能量。有些材料,例如,铁,钴等金属和其合金具有磁滞特性。
 
如果知道了材料的介电常数和磁导率,我们就可以计算出电磁波在材料内部和两种不同材料的表面的反射,损耗和透射的特性。
 
材料的高频测量应用
通过对材料的高频特性测量直接推算出此材料在高频应用中的表现,例如,对材料的电磁波吸收特性的测量,我们可以推算出将此材料涂在飞机表面后飞机对雷达的隐身效果。再例如,对纤维板材料的高频特性测量,可以推断出此类材料是否适于作为电路板。
 
 
对材料的高频特性的测量的另外的一类应用,是通过读取材料的高频特性的变化,推断出材料的某些特性的变化,例如,通过对面粉的高频特性的测量,可以推断出面粉的含水率,再例如,对地面作物对电磁波反射率的变化,可以推断出农作物的成熟度和收成,这是遥感测量的基础。
 
高频材料测量
一个完整的高频材料测量系统包括如下部分:
 
· 测量仪表:提供激励信号,并拾取被测材料的响应。
 
· 测量夹具:确定被测材料在电?。ù懦。┲械奈恢?,并提供激励信号和响应信号的接口。
 
· 测量软件:将仪表的显示结果(如 S 参数)转换为介电常数或磁导率。
 
测量内容:
· 复介电常数(Complex Dielectric Constant)
 
· 损耗正切(Loss Tangent)
 
· 复导磁率(Complex Permeability)
 
· S 参数:插入损耗、回波损耗、反射率、输入阻抗、屏蔽效率
 
材料-夹具-参数
 
 
不同的材料特性需要不同的材料方法和不同的测量夹具:
· 气体,液体,固体
 
· 板状,块状,粉末,切割
 
· 方向,多层,铁电
 
对于不同的测量夹具,测量仪表得到不同的测量参数:
· 反射(和 / 或)透射
 
· 谐振频率
 
· 电容(感)量
 
对于不同的测量夹具需要不同的测量软件
 
测量方法
传输法
· 主要包括波导法、同轴线法、带状线传输法、自由空间法、传输线终端加载法
 
· 主要优点:测试频带宽,可测试电磁参数,适于高损耗材料的测试
 
· 主要缺点:对低损耗材料的损耗测试误差较大
 
谐振法
· 主要包括高 Q 腔法、矩形腔法、微带谐振器法、带状线谐振器法、超导腔法、介质谐振器法、谐振腔微扰法等。
 
· 谐振法是通过测试谐振腔(器)的谐振频率和固有品质因数,从而计算出介质材料的微波复介电常数
 
· 主要优点:测试准确度高,特别适合于低损耗材料的测试 .
 
· 主要缺点:测试频带窄,不能同时测试电磁参数
 
传输法
传输法是将被测材料置入测试装置中,将其作为双口网络,测量此双口网络 S 参数,从而推算出微波的材料参数。
 
 
也可将被测材料将被测材料置入传输线终端作为单口网络,将被测样品加工成可嵌入波导或同轴线内填满终端,然后终端用金属片短路,对较大面积的片状介质材料放置在同轴或波导端口外进行测量。这样就构成了传输线终端加载法。利用传输线入射的波经被测介质反射后对复反射系数Γ进行检测,可推算出被测材料的复介电常数??山形匏鸩饬?。
 
自由空间测试法属于开场测量方法,因为所采用的电磁波为线极化平面波,所以可对材料进行取向测试,可实现对介质材料复介电常数的宽频带测量,在某些场合可完成非损伤测试。
 
主要优点:测试频带宽,可测试电磁参数,适于高损耗材料的测试
 
主要缺点:对低损耗材料的损耗测试误差较大

 

 
谐振法
主要包括高 Q 腔法、矩形腔法、微带谐振器法、带状线谐振器法、超导腔法、介质谐振器法、谐振腔微扰法等。
 
标准圆柱形谐振腔高 Q 腔法采用 TE01p 模,被测样品加工成圆片状置入腔内,在测得谐振腔加载前后的谐振频率和固有品质因数后,可得介质材料的微波复介电常数。该方法由于利用了腔的高 Q 值和被测样品重加载,测试准确度较高,往往在国家计量部门作为计量标准。
 
矩形腔法由块状被测样品填充矩形腔,矩形腔的横向尺寸与介质大小一样,而纵向为部分填充,工作模式通常取 TE10p 模。
 
采用较小介电常数的被测介质材料置入谐振腔,对腔内场进行微小的扰动,通过对谐振频率进行测量,可得介质材料的复介电常数。但微扰较大时,将会出现较大的测试误差。微扰法主要有 TM0n0 的圆柱腔微扰法和 TE10p 的矩形腔微扰法。
 
超导腔法是利用当测试腔置入低温环境下其微波表面电阻低,Q 值高的特点对介质材料的复介电常数进行测量,因为它的 Q 值较常规腔高得多,所以它尤其适用于对较低损耗材料的测量。
 
微带谐振器法通常将被测介质作为环状微带谐振器的衬底,带状线谐振器法通常将被测基片作为带状线谐振器的衬底材料,对其谐振频率和 Q 值进行测量,可求得复介电常数。该方法十分适合用于对微波集成电路基片复介电常数的测量。
 
将圆柱形高介电常数、低损耗的被测介质置入两金属板之间以构成谐振器进行测量的方法, 其测试的准确度较高。这种方法对测高介电常数的介质材料,目前仍为最有效的方法。
 
谐振法在测试准确度方面,尤其是低耗材料的损耗测试方面,比起传输要好得多。但是对于高损耗介质材料,谐振法难以找到谐振峰。测试往往是在某一个频率点进行,从而限制了它的测试频带。近年来,为了弥补它的不足,往往采用多模技术以扩展其测试频带。
 
主要优点:测试准确度高,特别适合于低损耗材料的测试
 
主要缺点:测试频带窄,不能同时测试电磁参数
 
 
 
测量装置与仪表
多种多样的夹具满足各种材料和各种方法的测量。
 
· 传输线类:有同轴空气线、波导腔、同轴和波导液体和粉末盒等等。
 
· 谐振腔类:有适用于低损耗介质测量、工作在 TE01 模式下的微波闭腔类夹具;也有用于固体和非常薄介质的非接触测量的开式谐振腔类夹具。
 
· 自由空间类:多种设备可完成多种材料如天线罩、吸收材料、屏蔽材料、食品、植物、沥青等等的测量。
 
 
一般对高频材料测量多采用矢量网络分析仪作为主要测量仪表,主要优点有连接简单,测量速度快,测量频率范围宽,测量精度高。对于需要现场使用的材料测量应用,手持式矢量网络分析仪可以提供非常便于移动的测量方案。
 
安立公司 MS4640B 高性能宽带微波矢量网络分析仪
 
 
微波矢量网络分析仪是目前最佳的测试工具。仪器厂商(如安立公司)和第三方公司可根据不同的测试方法提供不同的软件。最常见的用于矢量网络分析仪的软件如下:
 
· 传输线测量法:测量 S 参数,校准同轴或波导传输线,处理数据,获得μ和ε。支持 5 种不同的数据处理方法。
 
· 谐振腔法包括微波闭腔、开式谐振腔等:测量谐振腔的频率和 Q 值,校准谐振腔,处理数据,获得μ和ε 。
 
· 自由空间法其中包括拱形空间法:测量自由空间的反射和传输系数,校准拱形,处理数据,获得μ和ε 。