一種吸波材料電磁參數的測試與校準方法

2019-03-27 09:15:04鄭華山

無線電工程 2019年4期

付平，鞏莉，鄭華山

(北京航天光華電子技術有限公司，北京 100039)

0 引言

隨著車載動中通技術的不斷發展，對天饋系統的要求越來越高。為了保證天線系統的指標，有時需要通過波導匹配負載來吸收掉系統中的反射波或交叉極化信號。波導匹配負載通常為一段終端短路的波導，里面沿電場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和磁導率的虛部決定的[3-4]。為了設計出滿足指標和尺寸要求的波導匹配負載，最有效的方法是運用三維電磁仿真軟件進行建模仿真，例如HFSS，CST，Feko等，但首先需要獲知材料的電磁參數。通常材料的電磁參數測試技術分為網絡參數法和諧振腔法兩大類[5]，網絡參數法又分為時域法[6]、傳輸/反射法、多狀態法[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]因為具有寬頻帶、操作簡單且精度較高等特點而得到廣泛應用。然而，對于吸波材料，尤其是吸收性能較強的材料，在較高頻段上進入樣品的電磁波有可能因為衰減較快而使得傳輸系數S21非常小，甚至接近于0，大大影響了測試精度；如果將樣品做得很薄，又很難將其裝卡進波導管中固定不動并保持與波導軸線垂直的狀態，給操作帶來了很大的麻煩。

本文給出一種利用矢量網絡分析儀測試吸波材料電磁參數的方法。在較低頻段時沿用了傳輸/反射法的基本思路，但在反演計算公式上做了較大簡化，在較高頻段時若樣品不方便裝卡，則可采用另一種反射法的思路。這種方法也可用在實驗室資源條件有限，矢網只能進行單端口校準的情況。文章最后給出了此次實驗的結果。

1 傳輸/反射法測試原理

吸波材料電磁參數的測試原理如圖1所示，準備一根損耗很小的標準接口矩形直波導和截面尺寸與矩形波導完全一樣的待測材料樣品塊，用卡尺準確測量并記錄直波導的長度Lt，設待測材料樣品塊的尺寸為a×b×L2，L2的取值應根據實際情況而定，可以準備幾塊不同厚度的樣品，測試時將它們一一塞進波導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。將選好的樣品塞進直波導，用卡尺大致測量出塞進的深度L1。

圖1 吸波材料電磁參數的測試原理

將2個波導同軸轉換接頭連接矢量網絡分析儀的線纜后從兩波導同軸轉換的波導口面(如圖1(a)中參考面C和D)進行校準，然后將其連接已塞入材料樣品的直波導兩端，矢網保存S參數測試結果——S11,S12,S21,S22的幅度和相位信息，就可以計算出要求的ε'(ω)，ε' '(ω)，μ'(ω)，μ' '(ω)了。推導過程如下：

(1)

則參考面A-B之間的二端口網絡的S參數矩陣為：

(2)

(3)

于是可以列出方程組：

(4)

2 反射法測試原理

如果測試頻段較高，而材料的吸波性能比較強，樣品放入波導后測出的傳輸系數S21很小，而如果將樣品加工得很薄，又很難將其裝進波導中且使其保持和波導軸線完全垂直；另一方面，有的實驗室資源條件欠缺，無法對矢網進行二端口校準或者二端口校準精度不夠，但可以進行單端口精確校準的情況下，可以考慮反射測試方法，原理如下：

在一根短路波導底部塞入一片厚度為Lq的吸波材料，如圖2所示。

圖2 反射法測量材料的電磁參數

(5)

再在短路波導底部塞入一片厚度為Lp的吸波材料，同理，

(6)

(7)

解方程求出參數x，然后求出剩余的參數。通常此方程需要用數值的方法解出。

3 一種簡單的二端口網絡的校準辦法

所謂校準就是測量一組已知器件，根據測試結果和已知器件的特性比較，列出方程求解未知項，為后續的測量提供修正[14-15]。上述的測試過程中需要將校準面定為所用波導同軸轉換的波導口面，例如本文中采用BJ140的轉換接頭，即需要配備BJ140規格的波導校準箱[16-17]，否則測試結果中將包含夾具(即波導同軸轉換)的影響，通常表現為頻率響應曲線上引入較大的抖動波紋[18]。然而實際應用中很難實現配置全部頻段的波導校準件，如果實驗室正好不具備所需波導校準件，也不需要另行購買，可以用以下替代方法進行校準。