電磁功能材料電磁參數(shù)測(cè)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(cè)量方法，包括測(cè)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(cè)量介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的傳輸/反射法、以及測(cè)量介電常數(shù)的無(wú)需校準(zhǔn)的傳輸/反射法。前兩種方法以阻抗測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量為基礎(chǔ)的測(cè)量方法之前，研究了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES的阻

2、抗測(cè)量方法和測(cè)量精度。以下按照章節(jié)順序給出所研究?jī)?nèi)容的工作總結(jié)。
　　 （一）使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES測(cè)量器件輸入阻抗的研究
　　 通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES(N型端口)的散射參數(shù)測(cè)量不確定度的研究，確定了儀器的最佳測(cè)量設(shè)置:校準(zhǔn)功率和測(cè)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(cè)量精度和測(cè)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(cè)量器件阻抗的測(cè)量不確定度。通過(guò)

3、分析計(jì)算結(jié)果，明確了在不降低測(cè)量精度的情況下使用單端口反射法可以獲得最大的可測(cè)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(cè)量器件阻抗的最小相對(duì)不確定度為2％。與其他阻抗測(cè)量方法或測(cè)量?jī)x器相比，網(wǎng)絡(luò)分析儀的可測(cè)阻抗范圍較窄，但其可以在更高頻率下進(jìn)行測(cè)量。
　　 （二）使用電感線圈法測(cè)量軟磁材料磁導(dǎo)率的研究
　　 該方法通過(guò)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(lái)測(cè)量磁芯磁導(dǎo)率，另外一個(gè)磁芯用來(lái)驗(yàn)證磁導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果。磁導(dǎo)率測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量的相對(duì)正確性。
　　 通過(guò)對(duì)測(cè)量不確定度的分析表明，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為阻抗測(cè)量?jī)x器時(shí)，線圈阻抗的大小決

6、定了磁導(dǎo)率測(cè)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(cè)阻抗范圍內(nèi)。
　　 （三）使用短路同軸腔測(cè)量軟磁材料磁導(dǎo)率的研究
　　 該方法測(cè)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(méi)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(cè)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(cè)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(cè)量了較大的試樣;同軸腔法和電感線圈法測(cè)量較小的試樣。同軸腔方法與傳輸/反射法的測(cè)量結(jié)果的比較表

8、明，本文方法與傳輸/反射法的測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)兩個(gè)同樣材料制作的試樣的磁導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的比較說(shuō)明，較小的試樣使得同軸腔的輸入阻抗與測(cè)量?jī)x器特性阻抗偏離較遠(yuǎn)，從而得到的磁導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果比較大的試樣具有更大的誤差。
　　 通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)量不確定度;
　　 2）反射系數(shù)測(cè)量不確定度對(duì)磁導(dǎo)率實(shí)部的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量頻率更能保證同軸腔測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(wèn)題”和“半波諧振問(wèn)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(wèn)題具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn):
　　 1）無(wú)需測(cè)量群延遲，減少了工作量，節(jié)約了測(cè)量

12、時(shí)間;
　　 2）計(jì)算簡(jiǎn)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(wú)需在每一個(gè)測(cè)量頻率點(diǎn)都進(jìn)行比較計(jì)算;
　　 3）校正工作與被測(cè)材料電磁參數(shù)無(wú)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(cè)量頻率應(yīng)盡可能的低;
　　 2）測(cè)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(guò)2π。文中給出了起始測(cè)量頻率和頻率間隔的約束不等

13、式。
　　 經(jīng)過(guò)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(wèn)題，即介電常數(shù)在試樣長(zhǎng)度為電磁波在試樣中的波長(zhǎng)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(cè)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(wú)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(wèn)題。由于計(jì)算式為顯性的，因此無(wú)需預(yù)估介電常數(shù)

14、進(jìn)行迭代計(jì)算，也無(wú)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(cè)量的Φ16mm同軸傳輸線夾具。通過(guò)對(duì)其電壓駐波比的測(cè)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(cè)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(zhǎng)度無(wú)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(zhǎng)度測(cè)量誤差帶來(lái)的影響，提高了測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)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(zhǎng)試樣的半波諧振問(wèn)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(cè)量不確定度分析結(jié)果所證明。介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)使用諧振

16、腔測(cè)量的參考值相比相差不超過(guò)10％，證明了方法的正確性。實(shí)驗(yàn)還測(cè)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(cè)量不確定度的分析結(jié)果表明:
　　 1)NRW法測(cè)量歸一化長(zhǎng)度小于0.25試樣能夠給出測(cè)量不確定度最小的測(cè)量結(jié)果;
　　 2）測(cè)量歸一化長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)量中高損耗材料的電磁參數(shù)。
　　 （五）使用無(wú)需校準(zhǔn)的傳輸/反射法測(cè)量介電常數(shù)的研究
　　 本文基于傳輸/反射法給出了一種測(cè)量材料介電常數(shù)的簡(jiǎn)單方法。該方法無(wú)需校準(zhǔn)即可去除測(cè)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(cè)量精度。另外，測(cè)量之前不需要校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，因而節(jié)約了測(cè)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(guò)兩次測(cè)量即可得到被測(cè)材料的介電常數(shù)。方法首先測(cè)量未放入待測(cè)試樣的空夾具，然后將試樣放入夾具測(cè)試區(qū)域的任意位置進(jìn)行第二次測(cè)量。南于放入試樣后僅需要一次測(cè)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(cè)量多種不同的試樣前只需要測(cè)量一次空夾具即可，這樣可以大大簡(jiǎn)化人員操作和節(jié)約測(cè)量時(shí)間。另外，該方法從理論上保證了測(cè)量結(jié)果與夾具測(cè)試區(qū)域的特性阻抗以及長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而且試樣在夾具中的位置對(duì)測(cè)量結(jié)果幾乎沒(méi)有影響。
　　 為了驗(yàn)證所給的測(cè)量方法，進(jìn)行了大量的實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量對(duì)象為聚四氟乙烯試樣。不同長(zhǎng)度試樣的測(cè)量結(jié)果表明，在較低頻率下使用該方法時(shí)，需要足夠長(zhǎng)的試樣才能獲得高精度的測(cè)量，因此不推薦在GHz以下使用該方法進(jìn)行

20、測(cè)量。不同方法的測(cè)量結(jié)果之間的對(duì)比表明，南于消除了夾具過(guò)渡段的影響，所給方法的測(cè)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(cè)量結(jié)果不會(huì)在特殊頻率點(diǎn)處出現(xiàn)奇異值，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的混合測(cè)量來(lái)消除奇異點(diǎn)。將一個(gè)試樣放置在夾具測(cè)試區(qū)中9個(gè)不同位置下的測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本章方法幾乎與試樣位置無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)試樣在測(cè)試腔體中的位置可以是任意的。
　　 通過(guò)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(cè)量夾具時(shí)的測(cè)