一種吸波材料電磁參數(shù)的測(cè)試與校準(zhǔn)方法

付 平，鞏 莉，鄭華山

(北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100039)

0 引言

隨著車載動(dòng)中通技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)天饋系統(tǒng)的要求越來越高。為了保證天線系統(tǒng)的指標(biāo)，有時(shí)需要通過波導(dǎo)匹配負(fù)載來吸收掉系統(tǒng)中的反射波或交叉極化信號(hào)。波導(dǎo)匹配負(fù)載通常為一段終端短路的波導(dǎo)，里面沿電場(chǎng)方向放置一塊楔形吸收體，吸收體的材料可以用羥基鐵和聚苯乙烯的混合物做成[1-2]，吸收性能的大小主要是由材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛部決定的[3-4]。為了設(shè)計(jì)出滿足指標(biāo)和尺寸要求的波導(dǎo)匹配負(fù)載，最有效的方法是運(yùn)用三維電磁仿真軟件進(jìn)行建模仿真，例如HFSS，CST，F(xiàn)eko等，但首先需要獲知材料的電磁參數(shù)。通常材料的電磁參數(shù)測(cè)試技術(shù)分為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法兩大類[5]，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法又分為時(shí)域法[6]、傳輸/反射法、多狀態(tài)法[7]和自由空間法[8]等，其中由Niclson，Ross，Weir等人提出的傳輸/反射法[9]因?yàn)榫哂袑掝l帶、操作簡(jiǎn)單且精度較高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于吸波材料，尤其是吸收性能較強(qiáng)的材料，在較高頻段上進(jìn)入樣品的電磁波有可能因?yàn)樗p較快而使得傳輸系數(shù)S21非常小，甚至接近于0，大大影響了測(cè)試精度；如果將樣品做得很薄，又很難將其裝卡進(jìn)波導(dǎo)管中固定不動(dòng)并保持與波導(dǎo)軸線垂直的狀態(tài)，給操作帶來了很大的麻煩。

本文給出一種利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試吸波材料電磁參數(shù)的方法。在較低頻段時(shí)沿用了傳輸/反射法的基本思路，但在反演計(jì)算公式上做了較大簡(jiǎn)化，在較高頻段時(shí)若樣品不方便裝卡，則可采用另一種反射法的思路。這種方法也可用在實(shí)驗(yàn)室資源條件有限，矢網(wǎng)只能進(jìn)行單端口校準(zhǔn)的情況。文章最后給出了此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

1 傳輸/反射法測(cè)試原理

吸波材料電磁參數(shù)的測(cè)試原理如圖1所示，準(zhǔn)備一根損耗很小的標(biāo)準(zhǔn)接口矩形直波導(dǎo)和截面尺寸與矩形波導(dǎo)完全一樣的待測(cè)材料樣品塊，用卡尺準(zhǔn)確測(cè)量并記錄直波導(dǎo)的長(zhǎng)度Lt，設(shè)待測(cè)材料樣品塊的尺寸為a×b×L2，L2的取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，可以準(zhǔn)備幾塊不同厚度的樣品，測(cè)試時(shí)將它們一一塞進(jìn)波導(dǎo)后觀察插損的變化情況，選取插損有明顯降低但不至于太低的那塊，例如-3～-10 dB的范圍內(nèi)。將選好的樣品塞進(jìn)直波導(dǎo)，用卡尺大致測(cè)量出塞進(jìn)的深度L1。

圖1 吸波材料電磁參數(shù)的測(cè)試原理

將2個(gè)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的線纜后從兩波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)口面(如圖1(a)中參考面C和D)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將其連接已塞入材料樣品的直波導(dǎo)兩端，矢網(wǎng)保存S參數(shù)測(cè)試結(jié)果——S11,S12,S21,S22的幅度和相位信息，就可以計(jì)算出要求的ε'(ω)，ε' '(ω)，μ'(ω)，μ' '(ω)了。推導(dǎo)過程如下：

(1)

則參考面A-B之間的二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣為：

(2)

(3)

于是可以列出方程組：

(4)

2 反射法測(cè)試原理

如果測(cè)試頻段較高，而材料的吸波性能比較強(qiáng)，樣品放入波導(dǎo)后測(cè)出的傳輸系數(shù)S21很小，而如果將樣品加工得很薄，又很難將其裝進(jìn)波導(dǎo)中且使其保持和波導(dǎo)軸線完全垂直；另一方面，有的實(shí)驗(yàn)室資源條件欠缺，無法對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行二端口校準(zhǔn)或者二端口校準(zhǔn)精度不夠，但可以進(jìn)行單端口精確校準(zhǔn)的情況下，可以考慮反射測(cè)試方法，原理如下：

在一根短路波導(dǎo)底部塞入一片厚度為L(zhǎng)q的吸波材料，如圖2所示。

圖2 反射法測(cè)量材料的電磁參數(shù)

(5)

再在短路波導(dǎo)底部塞入一片厚度為L(zhǎng)p的吸波材料，同理，

(6)

(7)

解方程求出參數(shù)x，然后求出剩余的參數(shù)。通常此方程需要用數(shù)值的方法解出。

3 一種簡(jiǎn)單的二端口網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)辦法

所謂校準(zhǔn)就是測(cè)量一組已知器件，根據(jù)測(cè)試結(jié)果和已知器件的特性比較，列出方程求解未知項(xiàng)，為后續(xù)的測(cè)量提供修正[14-15]。上述的測(cè)試過程中需要將校準(zhǔn)面定為所用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)口面，例如本文中采用BJ140的轉(zhuǎn)換接頭，即需要配備BJ140規(guī)格的波導(dǎo)校準(zhǔn)箱[16-17]，否則測(cè)試結(jié)果中將包含夾具(即波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換)的影響，通常表現(xiàn)為頻率響應(yīng)曲線上引入較大的抖動(dòng)波紋[18]。然而實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)配置全部頻段的波導(dǎo)校準(zhǔn)件，如果實(shí)驗(yàn)室正好不具備所需波導(dǎo)校準(zhǔn)件，也不需要另行購(gòu)買，可以用以下替代方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

(8)

圖3 二端口網(wǎng)絡(luò)的一端接某一負(fù)載

四個(gè)未知數(shù)。

圖1中，如果僅能對(duì)矢網(wǎng)線纜的同軸端面進(jìn)行校準(zhǔn)，則可在完成S參數(shù)的測(cè)試后，將S矩陣轉(zhuǎn)換成歸一化A矩陣，然后左右各乘以所用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的A矩陣的逆，即得到C-D參考面間的A矩陣，再轉(zhuǎn)換成S矩陣，即為式(1)中的SC-D。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

按照上述傳輸/反射法測(cè)得的某吸波材料在Ku頻段上的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率如圖4和圖5所示。

圖4 吸波材料Ku頻段的介電常數(shù)

圖5 吸波材料Ku頻段的磁導(dǎo)率

按照上述反射法測(cè)得的某吸波材料在Ka頻段的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率如圖6和圖7所示。

圖6 吸波材料Ka頻段的介電常數(shù)

圖7 吸波材料Ka頻段的磁導(dǎo)率

將測(cè)得的材料參數(shù)代入仿真軟件進(jìn)行波導(dǎo)吸收負(fù)載的優(yōu)化設(shè)計(jì)并完成加工和測(cè)試，結(jié)果如圖8和圖9所示，可以看出在各自的設(shè)計(jì)頻段內(nèi)(分別為14～14. 5 GHz和29～30 GHz)波導(dǎo)吸收負(fù)載的駐波測(cè)試結(jié)果都小于1. 1，且和仿真值吻合良好。

圖8 Ku頻段波導(dǎo)負(fù)載仿真和測(cè)試駐波

圖9 Ka頻段波導(dǎo)負(fù)載仿真和測(cè)試駐波

5 結(jié)束語

本文給出了一種吸波材料電磁參數(shù)的測(cè)試方法，并針對(duì)此方法在頻率較高、吸波材料吸收效果較強(qiáng)的情況下測(cè)試?yán)щy的問題提出了一種可選方案。這種方案還可應(yīng)用于由于實(shí)驗(yàn)室條件限制無法對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行二端口校準(zhǔn)或者二端口的校準(zhǔn)精度不夠高，但可進(jìn)行單端口精確校準(zhǔn)的情形。

另外，由于測(cè)試過程要求從波導(dǎo)端面進(jìn)行校準(zhǔn)，如果實(shí)驗(yàn)室不具備波導(dǎo)校準(zhǔn)箱也不需要另行購(gòu)買，本文給出了一種替代的校準(zhǔn)方案，這種方案已經(jīng)過多次測(cè)試驗(yàn)證，可有效去除波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭及其他測(cè)試工裝的影響。