電磁功能材料電磁參數(shù)測量技術(shù).pdf

1、本文主要研究了功能材料電磁參數(shù)的頻域測量方法，包括測量軟磁材料磁導(dǎo)率的電感線圈法和同軸腔法、可以同時(shí)測量介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的傳輸/反射法、以及測量介電常數(shù)的無需校準(zhǔn)的傳輸/反射法。前兩種方法以阻抗測量為基礎(chǔ)，繼而由聯(lián)系阻抗和磁導(dǎo)率之間的方程計(jì)算出被測環(huán)形磁性材料試樣的磁導(dǎo)率;后兩種方法以散射參數(shù)測量為基礎(chǔ)，使用聯(lián)系散射參數(shù)和材料電磁參數(shù)的反射方程計(jì)算材料的電磁參數(shù)。在研究以阻抗測量為基礎(chǔ)的測量方法之前，研究了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES的阻

2、抗測量方法和測量精度。以下按照章節(jié)順序給出所研究內(nèi)容的工作總結(jié)。
　　 （一）使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES測量器件輸入阻抗的研究
　　 通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES(N型端口)的散射參數(shù)測量不確定度的研究，確定了儀器的最佳測量設(shè)置:校準(zhǔn)功率和測量功率為10dBm，中頻帶寬為300Hz。該設(shè)置均衡了散射參數(shù)的測量精度和測量速度之間的矛盾。
　　 分別計(jì)算了該儀器使用三種電路連接形式測量器件阻抗的測量不確定度。通過

3、分析計(jì)算結(jié)果，明確了在不降低測量精度的情況下使用單端口反射法可以獲得最大的可測阻抗范圍:阻抗幅值和相位可允許的變化范圍約為(6～400)Ω和(0.08～1.4)rad。從分析結(jié)果還得知，使用單端口反射法測量器件阻抗的最小相對(duì)不確定度為2％。與其他阻抗測量方法或測量儀器相比，網(wǎng)絡(luò)分析儀的可測阻抗范圍較窄，但其可以在更高頻率下進(jìn)行測量。
　　 （二）使用電感線圈法測量軟磁材料磁導(dǎo)率的研究
　　 該方法通過在環(huán)形試樣上繞制線圈

4、制作了電感器件，并使用集總參數(shù)等效電路模型對(duì)該電感線圈進(jìn)行等效，模型中包括與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)的電感和電阻、繞組交流電阻、以及電感線圈雜散電容。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀單端口反射法測量電感線圈的阻抗，繼而計(jì)算出磁芯的磁導(dǎo)率。
　　 在分析和對(duì)比不同雜散電容求解方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種根據(jù)共模扼流圈間接測量雜散電容的方法，當(dāng)集總參數(shù)模型有效時(shí)，該方法從理論上講是完備的，且操作方便，計(jì)算簡單。
　　 為驗(yàn)證電感線圈法，使用同一材料兩種

5、規(guī)格的環(huán)形磁芯制作了兩個(gè)電感，其中一個(gè)線圈用來測量磁芯磁導(dǎo)率，另外一個(gè)磁芯用來驗(yàn)證磁導(dǎo)率的測量結(jié)果。磁導(dǎo)率測量結(jié)果顯示，未考慮雜散電容的計(jì)算結(jié)果僅在較低頻率時(shí)可用，當(dāng)頻率升高后會(huì)出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤。另外，使用磁導(dǎo)率測量值作為驗(yàn)證用的電感線圈磁芯的磁導(dǎo)率，并計(jì)算其復(fù)阻抗。與阻抗測量值相比，阻抗計(jì)算值具有很高的符合程度，證明了磁導(dǎo)率測量的相對(duì)正確性。
　　 通過對(duì)測量不確定度的分析表明，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為阻抗測量儀器時(shí)，線圈阻抗的大小決

6、定了磁導(dǎo)率測量不確定度。因而，應(yīng)在不同頻率段繞制不同匝數(shù)的線圈，使得線圈的阻抗值在網(wǎng)絡(luò)分析儀可測阻抗范圍內(nèi)。
　　 （三）使用短路同軸腔測量軟磁材料磁導(dǎo)率的研究
　　 該方法測量時(shí)，將環(huán)形磁性材料試樣與內(nèi)導(dǎo)體同軸地放置在同軸腔短路端面上。使用傳輸線和集總參數(shù)等效電路的混合模型對(duì)其進(jìn)行等效，其中同軸腔外導(dǎo)體截面不連續(xù)等效為一個(gè)集總電容，試樣段短路同軸線等效為一集總電感。
　　 與電感線圈法相比，該方法沒有繞組交流電

7、阻和雜散電容不能精確求解的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率下的磁導(dǎo)率測量;與單匝電感等效法相比，所使用的等效模型更為精確，近似條件更少，由模型近似所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差更小。
　　 為檢驗(yàn)方法的有效性，設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)30mm×20mm×3.04mm的同軸腔。實(shí)驗(yàn)測量了兩個(gè)相同材料制作但尺寸不同的環(huán)形磁性材料試樣。分別使用同軸腔方法和同軸傳輸/反射法測量了較大的試樣;同軸腔法和電感線圈法測量較小的試樣。同軸腔方法與傳輸/反射法的測量結(jié)果的比較表

8、明，本文方法與傳輸/反射法的測量結(jié)果幾乎完全一致，比單匝電感等效法的計(jì)算結(jié)果更為精確。本文方法和電感線圈法的測量結(jié)果也具有較好的一致性，雖然在7MHz以下磁導(dǎo)率的虛部有一定的偏差。另外，通過對(duì)兩個(gè)同樣材料制作的試樣的磁導(dǎo)率測量結(jié)果進(jìn)行的比較說明，較小的試樣使得同軸腔的輸入阻抗與測量儀器特性阻抗偏離較遠(yuǎn)，從而得到的磁導(dǎo)率測量結(jié)果比較大的試樣具有更大的誤差。
　　 通過對(duì)本文方法的系統(tǒng)誤差的分析和仿真表明，系統(tǒng)誤差是材料電磁參數(shù)、頻

9、率以及試樣尺寸的函數(shù)，降低測量頻率和減小試樣尺寸可以減小系統(tǒng)誤差。方法的相對(duì)測量不確定度計(jì)算結(jié)果表明:
　　 1)較大的試樣具有較小的測量不確定度;
　　 2）反射系數(shù)測量不確定度對(duì)磁導(dǎo)率實(shí)部的測量不確定具有90％決定性影響;
　　 3）試樣尺寸的不確定度對(duì)磁導(dǎo)率虛部的影響更大;
　　 4）在保證反射系數(shù)測量不確定度較小的情況下，增大試樣尺寸可以降低磁導(dǎo)率測量不確定度。然而增大試樣尺寸會(huì)提高系統(tǒng)誤差，因此

10、這里認(rèn)為降低測量頻率更能保證同軸腔測量磁導(dǎo)率方法的準(zhǔn)確度和精確度。
　　 （四）使用傳輸/反射法測量介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的研究
　　 基于傳輸線理論和電磁波與材料的相互作用機(jī)理，推導(dǎo)了使用同軸傳輸線作為測量夾具的傳輸/反射法計(jì)算式。與通常使用的電磁參數(shù)計(jì)算式的表達(dá)形式相比，使用特性阻抗和傳播常數(shù)的計(jì)算式表達(dá)形式具有簡潔對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，且具有更大通用性，同樣適用于其它不同的傳輸線，例如波導(dǎo)、帶線等。如果被測材料為非磁性的電介質(zhì)材料

11、，除了基于NRW法的同時(shí)使用傳播常數(shù)和特性阻抗的計(jì)算式外，還導(dǎo)出了另外兩個(gè)不同的顯性計(jì)算式，它們分別僅使用特性阻抗或傳播常數(shù)計(jì)算復(fù)介電常數(shù)。
　　 從理論上研究了傳輸/反射法的兩個(gè)著名缺點(diǎn)，即“多值性問題”和“半波諧振問題”，從理論上揭示了二者產(chǎn)生的根本原因，并給出了各自的解決方法。
　　 與常用的“群延遲法”相比，使用“虛部補(bǔ)償法”解決多值性問題具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn):
　　 1）無需測量群延遲，減少了工作量，節(jié)約了測量

12、時(shí)間;
　　 2）計(jì)算簡單，一次計(jì)算即可完成所有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳播常數(shù)的校正工作，無需在每一個(gè)測量頻率點(diǎn)都進(jìn)行比較計(jì)算;
　　 3）校正工作與被測材料電磁參數(shù)無關(guān)，在電磁參數(shù)求解前即可完成校正工作。
　　 在應(yīng)用虛部補(bǔ)償法時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn):
　　 1）起始測量頻率應(yīng)盡可能的低;
　　 2）測量頻率間隔應(yīng)足夠小，以確保兩個(gè)相鄰頻率下的相位常數(shù)變化不超過2π。文中給出了起始測量頻率和頻率間隔的約束不等

13、式。
　　 經(jīng)過理論分析，使用NRW計(jì)算方法和使用特性阻抗的計(jì)算方法計(jì)算低損耗電介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)產(chǎn)生半波諧振問題，即介電常數(shù)在試樣長度為電磁波在試樣中的波長一半的整數(shù)倍的那些頻率點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)巨大的發(fā)散現(xiàn)象。分析表明，在那些特殊的頻率點(diǎn)，散射參數(shù)S11趨于0導(dǎo)致其測量誤差很大，經(jīng)南反射系數(shù)傳遞至最后的介電常數(shù)計(jì)算結(jié)果。因此，使用與反射系數(shù)無關(guān)的傳播常數(shù)計(jì)算介電常數(shù)能夠有效地消除半波諧振問題。由于計(jì)算式為顯性的，因此無需預(yù)估介電常數(shù)

14、進(jìn)行迭代計(jì)算，也無需引入等效電磁參數(shù)參與計(jì)算。
　　 根據(jù)傳輸線理論設(shè)計(jì)和加工了用于傳輸/反射法測量的Φ16mm同軸傳輸線夾具。通過對(duì)其電壓駐波比的測量發(fā)現(xiàn)，南于7mm/16mm傳輸段的影響，該夾具在3GHz以上性能不佳，表現(xiàn)在散射參數(shù)S11的測量值與理論值相差較大。
　　 研究了與網(wǎng)絡(luò)分析儀用戶指導(dǎo)不同的儀器校準(zhǔn)方法，在使用該校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上可以獲得與試樣位置以及夾具長度無關(guān)的散射參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，因而避免了試樣位置以及夾

15、具長度測量誤差帶來的影響，提高了測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該散射參數(shù)轉(zhuǎn)換方法較常用的校準(zhǔn)方法能夠帶來更精確的散射參數(shù)值。
　　 以聚四氟乙烯為標(biāo)準(zhǔn)材料進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)測量，分別使用四種不同的計(jì)算方法計(jì)算了介電常數(shù)。測量結(jié)果顯示使用傳播常數(shù)的計(jì)算方法能夠有效地消除較長試樣的半波諧振問題，其精確度與使用S21的迭代算法相當(dāng)，比NRW算法和使用特性阻抗的計(jì)算方法更為精確，這被后面的測量不確定度分析結(jié)果所證明。介電常數(shù)測量結(jié)果與文獻(xiàn)使用諧振

16、腔測量的參考值相比相差不超過10％，證明了方法的正確性。實(shí)驗(yàn)還測量其它常用的電介質(zhì)材料和磁性材料，為電磁功能材料的正確使用給出一定的參考。
　　 對(duì)三種介電常數(shù)計(jì)算方法的測量不確定度的分析結(jié)果表明:
　　 1)NRW法測量歸一化長度小于0.25試樣能夠給出測量不確定度最小的測量結(jié)果;
　　 2）測量歸一化長度大于0.25的低損耗和中等損耗材料試樣，使用傳播常數(shù)計(jì)算的介電常數(shù)具有最小的測量不確定度;
　　

17、3）而對(duì)于高損耗材料，使用特性阻抗計(jì)算介電常數(shù)能夠獲得較好的結(jié)果;
　　 4）傳輸/反射法測量低損耗材料介電常數(shù)虛部的不確定度很大，因而更適合用于測量中高損耗材料的電磁參數(shù)。
　　 （五）使用無需校準(zhǔn)的傳輸/反射法測量介電常數(shù)的研究
　　 本文基于傳輸/反射法給出了一種測量材料介電常數(shù)的簡單方法。該方法無需校準(zhǔn)即可去除測量系統(tǒng)的誤差。由于消除了非理想校準(zhǔn)件、不完善的去嵌入方法、夾具的轉(zhuǎn)換部分、以及適配器的連接失配

18、等影響，使用該方法能夠獲得較高的測量精度。另外，測量之前不需要校準(zhǔn)測量儀器，因而節(jié)約了測量時(shí)間。
　　 除了這些與其他非校準(zhǔn)方法相似的優(yōu)點(diǎn)以外，本章方法僅需要使用一個(gè)試樣和一個(gè)傳輸線夾具經(jīng)過兩次測量即可得到被測材料的介電常數(shù)。方法首先測量未放入待測試樣的空夾具，然后將試樣放入夾具測試區(qū)域的任意位置進(jìn)行第二次測量。南于放入試樣后僅需要一次測量，因此夾具只需要在一端進(jìn)行拆卸和安裝，因而能夠盡可能地保證夾具連接的可重復(fù)性。如果夾具的加

19、工精度足夠高，在測量多種不同的試樣前只需要測量一次空夾具即可，這樣可以大大簡化人員操作和節(jié)約測量時(shí)間。另外，該方法從理論上保證了測量結(jié)果與夾具測試區(qū)域的特性阻抗以及長度無關(guān)，而且試樣在夾具中的位置對(duì)測量結(jié)果幾乎沒有影響。
　　 為了驗(yàn)證所給的測量方法，進(jìn)行了大量的實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)，測量對(duì)象為聚四氟乙烯試樣。不同長度試樣的測量結(jié)果表明，在較低頻率下使用該方法時(shí)，需要足夠長的試樣才能獲得高精度的測量，因此不推薦在GHz以下使用該方法進(jìn)行

20、測量。不同方法的測量結(jié)果之間的對(duì)比表明，南于消除了夾具過渡段的影響，所給方法的測量精度遠(yuǎn)高于第六章中需要校準(zhǔn)的傳輸/反射法;與“多位置法”相比，本章方法的測量結(jié)果不會(huì)在特殊頻率點(diǎn)處出現(xiàn)奇異值，無需進(jìn)行復(fù)雜的混合測量來消除奇異點(diǎn)。將一個(gè)試樣放置在夾具測試區(qū)中9個(gè)不同位置下的測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本章方法幾乎與試樣位置無關(guān)，也就是說試樣在測試腔體中的位置可以是任意的。
　　 通過分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，使用同軸傳輸線作為測量夾具時(shí)的測