食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液在組織模擬液介電特性測(cè)量中的應(yīng)用*

尹洪雁 劉宇軍 張 康 武 彤

(1.北京出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，北京 100026；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

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食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液在組織模擬液介電特性測(cè)量中的應(yīng)用*

尹洪雁1劉宇軍1張 康2武 彤2

(1.北京出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，北京 100026；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

介紹了食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液在測(cè)量液體復(fù)介電常數(shù)接觸探頭法標(biāo)定過(guò)程及其測(cè)量能力驗(yàn)證方面的應(yīng)用。在探頭標(biāo)定中，以食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液替代短路塊，作為二端口微波網(wǎng)絡(luò)去嵌入所需參考負(fù)載。分別通過(guò)三種不同濃度食鹽水標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)液和900MHz頭部組織模擬液對(duì)該方法測(cè)量能力進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)量數(shù)據(jù)與參考值一致性均優(yōu)于5%，能夠滿足比吸收率測(cè)試用組織模擬液介電特性驗(yàn)證的需求。

接觸探頭法；組織模擬液；比吸收率

0 引言

在評(píng)估人體所受以手持和身體佩戴方式使用的無(wú)線設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射暴露量(比吸收率)測(cè)試中，常使用組織模擬液填充的假人模型。組織模擬液是實(shí)驗(yàn)耗材，成分主要是電解質(zhì)或有機(jī)溶質(zhì)水溶液，在比吸收率測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，均需測(cè)量和驗(yàn)證其在目標(biāo)頻點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，例如，國(guó)標(biāo)GB/T 28446.1-2012/IEC 62209-1:2005規(guī)范了用以模擬頭部組織的液液介電特性參考值，并推薦了在射頻微波頻段測(cè)量液體復(fù)介電常數(shù)常用到的接觸探頭法[1]。該方法通過(guò)反射系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)得出復(fù)介電常數(shù)。為了將反射系數(shù)測(cè)量值修正為真正的探頭反射系數(shù)，需要用二端口微波網(wǎng)絡(luò)去嵌入法消除連接探頭和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口的同軸傳輸線影響。在上述標(biāo)定探頭過(guò)程中，去嵌入法三個(gè)參考負(fù)載通常選擇空氣(即探頭開(kāi)路)、去離子水和短路塊。由于短路塊和同軸開(kāi)口端表面都不可避免存在氧化，因此，在每個(gè)測(cè)量頻點(diǎn)上，都需要驗(yàn)證短路塊以機(jī)械接觸方式實(shí)現(xiàn)探頭開(kāi)口內(nèi)外導(dǎo)體短路功能的有效性，但該確認(rèn)環(huán)節(jié)給操作員增加了不少重復(fù)操作。食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液復(fù)介電常數(shù)頻率特性經(jīng)過(guò)不同研究者和機(jī)構(gòu)的大量工作，得出了各種擬合色散參數(shù)的弛豫表達(dá)式，因此，食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液既可作為參考液體，也可作為標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)液。本文將已知濃度的食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液用于探頭標(biāo)定過(guò)程，以其替代短路塊，當(dāng)作三個(gè)參考負(fù)載之一。為了考核與驗(yàn)證接觸探頭法的測(cè)量能力，又可使用不同濃度的食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液作為標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)液，完成相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率測(cè)量值的驗(yàn)證。

1 接觸探頭法及其標(biāo)定過(guò)程

圖1是接觸探頭法測(cè)量液體復(fù)介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的示意原理圖。同軸線一端開(kāi)口且外導(dǎo)體帶有法蘭。在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)液浸沒(méi)探頭，與法蘭開(kāi)口面充分接觸。探頭另一端連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸端口，完成反射系數(shù)S11的測(cè)量與記錄。

圖1 接觸探頭法測(cè)量液體復(fù)介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

探頭輸入導(dǎo)納的計(jì)算公式已在GB/T 28446.1-2012/IEC 62209-1:2005資料性附錄J“液體介電特性的測(cè)量和不確定度的評(píng)估”[1]中給出如下：

(1)

探頭的輸入導(dǎo)納和網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄的S11數(shù)據(jù)不是直接對(duì)應(yīng)的，這是由于同軸傳輸線的不連續(xù)性造成的，例如，同軸轉(zhuǎn)接頭的使用，線束彎曲，傳輸延遲、色散等各種因素?？梢允孪韧ㄟ^(guò)探頭測(cè)量三種復(fù)介電常數(shù)已知的參考負(fù)載，例如，空氣(即探頭開(kāi)路)、去離子水、已知濃度食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用二端口網(wǎng)絡(luò)三參考負(fù)載去嵌入的辦法，能夠得出同軸傳輸線二端口網(wǎng)絡(luò)待定S參數(shù)。在標(biāo)定基礎(chǔ)上，根據(jù)探頭測(cè)量被測(cè)液的S11數(shù)據(jù)記錄即可得出被測(cè)液的輸入導(dǎo)納Y。

上述標(biāo)定過(guò)程中，食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液介電特性取決于濃度、溫度和電波頻率，其復(fù)介電常數(shù)數(shù)據(jù)參見(jiàn)液體復(fù)介電常數(shù)弛豫表達(dá)式的各類研究工作，例如Klein-Swift公式[2]和Wentz公式[3]。目前，廣泛使用的食鹽水復(fù)介電常數(shù)頻域表達(dá)式，主要包含靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)(εs)、高頻漸進(jìn)相對(duì)介電常數(shù)(ε∞)、弛豫時(shí)間(t )，以及離子電導(dǎo)率(σi)等色散參數(shù)，作為頻率f的函數(shù)形式如下

(2)

式中，a =0,β=1稱作Debye表達(dá)式，a =0,0<β<1稱作Cole-Davidson表達(dá)式。各個(gè)色散參數(shù)均受濃度和溫度影響，且與頻率f無(wú)關(guān)，擬合數(shù)據(jù)詳見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)[2-3]，本文從略。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與探討

分別以食鹽水稀溶液和900MHz頭部組織模擬液作為典型被測(cè)液，使用同軸線(外導(dǎo)體內(nèi)徑1.6mm、內(nèi)導(dǎo)體半徑0.375mm)探頭測(cè)量介電特性。標(biāo)定過(guò)程用到的三個(gè)參考負(fù)載分別是開(kāi)路、去離子水和食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液。短路塊不再用作參考負(fù)載。

2.1 驗(yàn)證食鹽水稀溶液的復(fù)介電常數(shù)頻率特性

以濃度10‰，15‰和20‰食鹽水稀溶液作為標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)液，考察0.3～4.5GHz頻段相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率特性測(cè)量數(shù)據(jù)。為了對(duì)比，分別將濃度35‰和70‰食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液用于探頭標(biāo)定過(guò)程，食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液復(fù)介電常數(shù)特性值使用Wentz公式給出數(shù)據(jù)。液體和環(huán)境溫度在測(cè)量前后保持23oC。去離子水、食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液以及被測(cè)液均使用36mm口徑25mL刻度容量的燒杯盛裝。

圖2中，測(cè)量數(shù)據(jù)與Wentz公式給出的參考值進(jìn)行比對(duì)。Wentz公式是Cole-Davidson表達(dá)式，圖中同時(shí)提供了Klein-Swift公式給出的另一組參考值作為橫向比較。與Wentz公式不同，Klein-Swift公式是Debye表達(dá)式，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合弛豫參數(shù)的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)化。在0.3～4.5GHz整個(gè)頻段上，兩組介電特性測(cè)量數(shù)據(jù)與兩組參考值在整體上吻合良好。另一方面，雖然在探頭標(biāo)定過(guò)程使用的食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度不同，但兩組測(cè)量數(shù)據(jù)相互間一致性較好。在整個(gè)頻段上，從圖2可觀察到電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果與參考值都有較好的一致性，對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)，當(dāng)頻率高于1GHz時(shí)，三種不同濃度被測(cè)食鹽水稀溶液的測(cè)量數(shù)據(jù)同參考值一致性很好；相對(duì)而言，在低于1GHz的頻率點(diǎn)上測(cè)量結(jié)果偏離參考值較明顯，在工作頻率向0.3GHz頻點(diǎn)降低的過(guò)程中偏差逐漸增大，但不超過(guò)5%。這一現(xiàn)象的主要原因是在測(cè)量頻段低端探頭孔徑的電尺寸過(guò)小造成測(cè)量靈敏度變差，但通過(guò)換用孔徑尺寸較大的探頭即可優(yōu)化低頻測(cè)量結(jié)果。

圖2 食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液介電特性測(cè)量結(jié)果

2.2 測(cè)量比吸收率測(cè)試用組織模擬液的介電特性值

為了考察測(cè)量結(jié)果重復(fù)性，以實(shí)驗(yàn)室制備900MHz頭部組織模擬液為例，在液體和環(huán)境溫度保持22℃條件下使用探頭進(jìn)行多次測(cè)量。在標(biāo)定中，食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為35‰，復(fù)介電常數(shù)特性值用Wentz公式給出。該頭部組織模擬液的主要成分是加入少量氯化鈉的蔗糖水溶液[4]，在22℃時(shí)，900MHz頻點(diǎn)相對(duì)介電常數(shù)指定值為41.2，電導(dǎo)率指定值為0.98S/m。制備組織模擬液的配方純度、稱重和制備環(huán)節(jié)等對(duì)介電特性引起的偏差認(rèn)為可忽略不計(jì)。在2014年6月份18個(gè)工作日里每天取適量樣品，測(cè)量900MHz頻點(diǎn)相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。對(duì)相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)的線性回歸擬合斜率作t檢驗(yàn)[5]，取0.95置信水平，樣本數(shù)目n=18，t值分別為-0.5888和0.2903，絕對(duì)值均小于t因子t0.95,n-1(2.12)，該統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)都具有很好的一致性。相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果平均值分別是41.8996和0.9806S/m，平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(k=2)分別是0.7499和0.0193S/m，表明了在接觸探頭法標(biāo)定過(guò)程中使用食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液，可以使得測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到準(zhǔn)確度優(yōu)于5%，滿足比吸收率測(cè)試用組織模擬液介電特性驗(yàn)證要求。

表1 接觸探頭法測(cè)量900MHz頭部組織模擬液重復(fù)性數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步考核食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液在探頭標(biāo)定中的應(yīng)用，本聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(北京出入境檢驗(yàn)檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)中心(CQC-TS)和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM))用制備的900MHz頭部組織模擬液作為被測(cè)液體，組織開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)。參與實(shí)驗(yàn)室是工信部通信計(jì)量中心(TMC)和國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心(SRTC)。同一制備批次樣品在三家實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行了測(cè)量，液體和環(huán)境溫度為22℃。在標(biāo)定中，本實(shí)驗(yàn)室以食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液作參考負(fù)載，而參與實(shí)驗(yàn)室均使用短路塊作參考負(fù)載。表2列出的數(shù)據(jù)表明了三家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的一致性。因此，以食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液代替短路塊作為探頭標(biāo)定過(guò)程參考負(fù)載，具備了可靠性和實(shí)用性。

表2 測(cè)量900MHz頭部組織模擬液實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文探討了將食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液分別作為標(biāo)定用參考液體和標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)液，用于測(cè)量液體復(fù)介電常數(shù)接觸探頭法的標(biāo)定以及測(cè)量能力的驗(yàn)證。以外導(dǎo)體內(nèi)徑1.6mm，內(nèi)導(dǎo)體半徑0.375mm的探頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了開(kāi)路、去離子水和已知濃度食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液作為標(biāo)定探頭所使用的三個(gè)參考負(fù)載。測(cè)量結(jié)果表明，分別以濃度10‰、15‰、20‰食鹽水稀溶液作為標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)液，在0.6～4.5GHz頻段相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)與參考值的偏離均低于5%；同時(shí)，驗(yàn)證了兩種不同濃度(35‰和70‰)食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液分別用于探頭標(biāo)定過(guò)程得到的測(cè)量結(jié)果的一致性。進(jìn)一步以實(shí)驗(yàn)室制備900MHz頭部組織模擬液為例，開(kāi)展了測(cè)量重復(fù)性考核以及實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)，獲得了較好的測(cè)量數(shù)據(jù)。綜上所述，以食鹽水標(biāo)準(zhǔn)溶液替代短路塊的標(biāo)定辦法將能夠在比吸收率測(cè)試用組織模擬液介電特性接觸探頭法測(cè)量中得到很好的應(yīng)用。

[1] GB/T 28446.1—2012/IEC 62209-1:2005《手持和身體佩戴使用的無(wú)線通信設(shè)備對(duì)人體的電磁照射人體模型、儀器和規(guī)程 第1部分：靠近耳邊使用的手持式無(wú)線通信設(shè)備的SAR評(píng)估規(guī)程(頻率范圍300MHz～3GHz)》

[2] L. A. Klein and C. T.Swift, “An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-25, no. 1, pp. 104-111, Jan. 1977.

[3] F. J. Wentz, AMSR Ocean Algorithm ATDB, RSS Tech. Report 120296, 1996, Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA.

[4] IEEE std 1528-2003, IEEE Recommended Practice for Determining the Peak Spatial-Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Head from Wireless Communications Devices: Measurement Techniques

[5] John A. Rice, Mathematical Statistics and Data Analysis, Third Edition, Duxbury Advanced, 2006

*國(guó)家質(zhì)檢公益項(xiàng)目(201410050)；國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013IK307)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.03