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        吸波材料的電磁參數測試方法

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        吸波材料電磁參數測試方法按激勵信號的不同,可以分為時域,頻域,色散傅里葉變換波普三大類,時域和頻域方法分別以階躍函數的脈沖波、周期函數的正弦波作為激勵信號。此外色散傅里葉變換波普法是以白噪聲源作為激勵信號。在射頻與微波的頻率范圍內,就測量精度而言,時域方法不如頻域方法,而色散傅里葉變換波普法只能用于遠紅外亞毫米波段,因此在微波射頻頻段使用頻域方法來測量材料的電磁參數是比較有效的,如果按照使用頻率范圍的不同,可以將各種頻域測量方法大致分為微波測量方法和射頻測量方法兩種,微波測量方法采用分布參數系統,成為目前比較主流的電磁參數測量方法。而射頻測量方法則采用集總參數回路,具體的分類如圖1

         

        按頻率分的電磁參數測量方法分類

        圖1 吸波材料電磁參數測量方法分類

        國內外對射頻介質材料介電特性的研究也很多,由于測試材料的使用頻率范圍不同,介電參數不同,物理狀態不同,外形尺寸不同等,為滿足其測量需求電磁參數測量方法也變得多種多樣。在這里先簡單介紹一些目前比較主流的電磁參數測量方法的原理優缺點及使用范圍。

        1駐波法

        駐波法也叫做測量線法,它的基本原理是將填充介質樣本的波導段或者同軸線作為傳輸系統的一部分來測量材料的介電參數。其中常用的方法是終端短路法或者終端開路法。如圖2所示,待測樣品端接在測量系統末端,繞后在它的輸出端接上短路器或者開路器,根據待測樣品引起的駐波比和駐波節點的偏移,從而能夠確定材料的復介電常數。

        駐波法測量系統示意圖

        圖2 駐波法測量系統示意圖

        優缺點:駐波法測量的方法及原理清晰,不需要復雜的測量儀器和設備且成本低廉,僅通過測定測量線的 終端短路、開路兩種狀態下的駐波比變化來獲得復介電參數,方法簡便,但由于微博測量所涉及的是電磁場在傳輸系統中所呈現的駐波分布問題,往往需要根據手動采集的數據來計算相關微波參數,所以過程繁瑣,工作量大,其測量精度很大程度上屈居于測量操作經驗,并且對通一樣品的不同頻率點進行測量將會耗費大量時間精力。

        2傳輸/反射法

        傳輸反射法是將待測材料樣本放入同軸空氣線中,電磁波在傳輸線的空腔中傳輸時,當遇到待測介質樣本,一部分電磁波會直接透射過去,另一部分則被反射回來,在這個過程中同事伴隨著相位的偏移和能量的衰減?,F將整個同軸測試系統等效為一個二端口網絡。如圖3 和圖4 ,通過矢量網絡分析儀測量兩個端口的散射參數,從而通過相關算法反演出材料的復介電參數。

        圖3 傳輸/反射等效法二端口網絡

        圖3 傳輸/反射等效法二端口網絡

        圖4  傳輸/反射法測試模型

        圖4 傳輸/反射法測試模型

        優缺點:該方法公式推導較為簡單,可以進行掃頻測量,且測量頻帶較寬,也有較高的測量進度,但由于受到測試材料形狀的限制,使得該測量方法具有破壞性,所以并不適合用于現場測量,并且當試樣厚度為介質半波長的整數倍時,測試結果會出現較大的偏差,產生所謂的“厚度諧振”問題,若采用傳動的算法,還會出現多值性問題,另外,該方法目前還無法測量厚度遠小于介質波長的“極薄”材料。當放入同軸空氣線中的材料與同軸內壁不緊密粘合時,會使得測量誤差增大。

        3 開口同軸探頭法

        開口同軸探頭法是將介質基片樣本緊貼在終端開口的同軸線的末端,通過對介質基片內和通州線體內的電磁場的測量及計算來得到所需要的電磁參數。這種方法是基于耦合模技術,變分法,格林函數,hankel變換,bessel函數的正交性等方法來實現測量的,基本原理如圖5和圖6所示

        開口同軸法測試模型

        圖5 開口同軸法測試模型

        圖6 開口同軸法系統框圖

        圖6 開口同軸法系統框圖

         

        優缺點:開口同軸探頭法具有非破壞性,快速,操作簡便等諸多特點,且不需要檢測相位信息,適用于現場測量,單其測量精度收到一定的限制,他的終端可以加無限大的介質,只要平面平滑即可,切在一般情況下,介質以為的輻射是比較小的,所以可以不考慮輻射帶來的損耗,該方法一般可以配合FDTD法來進行計算,由于必須采用場的方法來計算所需要的介電常數,所以一般情況下計算較為復雜,很難得到解析解,所以必須借助于數值軟件和方法來完成計算。

        4自由空間法

        自由空間法是利用聚焦透鏡喇叭天線將電磁波輻射到自由空間,當遇到待測樣品是,電磁波發生反射和透射。利用天線接收這些反射和透射信號,并且忽略待測樣品邊緣繞射的影響,最后計算出介質材料的電磁參數?;驹砣鐖D7所示,先令掃頻源發出微波能量,經過大測樣品透射后,在接收端進行檢波,之后再由標量網絡分析儀測出傳輸系數的模值,最后在通過總線送回計算機進行數據處理和計算。

        圖7  自由空間法測試模型

        圖7 自由空間法測試模型

        優缺點:自由空間法的樣品制備較為容易,值需要一塊相對面積足夠大切表面平攤的介質材料,以避免電磁波繞射的影響,它可以對材料進行取向測試,以滿足常規測試和某些特殊測試的需要,看實現對介質材料復介電常數的寬頻帶掃頻測量,可完成一定測試場合的非損傷測試,測試系統的標準也較為簡單,但計算過于復雜,需要通過復雜的算法將實驗測量值推算出材料的電磁參數。

        5諧振腔法

        諧振腔法的基本原理為將較小介電常數的單側介質樣本放入封閉或開放的諧振腔內,對腔內場進行微小擾動,通過放入前后腔內品質因素Q值和諧振頻率的變化,從而來推算出介質材料的復介電常數和復磁導率,測量原理如圖8.

        圖8 諧振腔法原理圖

        圖8 諧振腔法原理圖

        優缺點:諧振腔法對于測試材料的制備要求較高,并且需要實現知道腔體內部的電磁場分布情況,以便更科學的放置探針來傳輸電磁波,通過加入介質所引起的諧振頻率的變化進行測量,而且加入的材料不能很大的影響諧振腔內的場分布,否則探針的位置將發生相對變化。該方法比較適合測量較小介電常數的介質材料或薄膜材料。

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