基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于微带线法的一维和二维导电材料的宽频阻抗测量装置及其方法，属于阻抗测量和射频技术领域。本发明专利技术测量设备包括矢量网络分析仪(VNA)，任意波发生器，功率放大器，双向直流电源，数字万用表(DMM)，亥姆霍兹线圈和台式机，所有设备均放置在高度可调的手推车上，所有设备通过上位机实现通讯协作。本发明专利技术旨在通过使用微带线方法，并对样品波导特性进行相位补偿，实现从kHz到15GHz的超宽频带范围内导电纤维或薄膜的阻抗测量。

Broadband Impedance Measurement Device and Method for One-dimensional and Two-dimensional Materials Based on Microstrip Line Method

【技术实现步骤摘要】
基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置及方法
本专利技术涉及一种阻抗测量装置及其方法，尤其涉及一种基于微带线法的一维和二维导电材料的宽频阻抗测量装置及其方法，属于阻抗测量和射频

技术介绍
自从1994年在铁磁微米丝中发现磁阻(MI)效应以来，宽频带阻抗测量在材料科学研究领域变得日益重要。当时，研究热点主要为激发频率为MHz频段的MI磁传感器开发。后来，研究人员发现，基于MI效应，磁阻材料或磁阻材料阵列通过与电磁波的相互作用，可以在更宽的频率范围内用于微波遥感。现有的同轴法只能测量几GHz以下频段的阻抗；相反地，由于低频下波导元件的尺寸较大，波导法不便用于GHz以下频段的阻抗测量。因此，现有的这两种测量方法均不能实现阻抗的宽频带测量。除此之外，这两种方法不允许对被测样品施加外应力的原位阻抗测量；对于施加温度场的原位阻抗测量，理论上是可行的，但需要非常复杂的实验装置。相反地，PCB测试元件允许在施加外场(如磁场，应力场和温度场)的情况下，实现从kHz到GHz的原位宽频带阻抗测量。唯一需要解决的问题是如何将SOLT校准的参考面扩展到样品端，并消除由样品波导特性引起的相位延迟。由同轴法和波导法的测量结果转化得到阻抗的计算过程十分复杂，因为该计算过程需要求逆解。而使用PCB测试元件，可以使用简单的代数方程由测量的传输系数S21M计算得到阻抗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供了一种基于微带线法的一维和二维导电材料的宽频阻抗测量装置及方法。本专利技术具体采用的技术方案如下：一种基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其包括矢量网络分析仪、PCB校准元件、PCB测试元件、上位机、亥姆霍兹线圈、任意波发生器、功率放大器、双向直流电源，数字万用表；所述的PCB校准元件用于矢量网络分析仪的校准；PCB校准元件的基材为PCB板，表面同时贴装有短路、开路、负载和直通四种标准件；每个标准件的两端均连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；所述的PCB测试元件的基材为PCB板，表面贴装有两条微带线，且两条微带线的一端均设有接触垫，两个接触垫之间具有间隔，用于连接待测样品；两条微带线的另一端分别连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；所述的任意波发生器和直流双向电源均通过功率放大器与亥姆霍兹线圈相连；所述的数字万用表用于检测亥姆霍兹线圈上的实际电压；所述的矢量网络分析仪、任意波发生器和数字万用表均与上位机相连。作为优选，所述的PCB板采用罗杰斯PCB板，厚度为0.8-1.6mm。作为优选，所述的四种标准件中，标准短路件通过在微带线末端打接地通孔实现上下两个地平面之间的连接；标准开路件为开路微带线；标准负载件为由两个并联的威世100Ω射频电阻得到的50Ω负载；标准直通件为一条连续的微带线。作为优选，所述的待测样品为磁性或非磁性的导电纤维或导电薄膜。作为优选，两个所述的接触垫的间距为3～20mm，，所述接触垫的长度为1～2mm。作为优选，所有设备均放置在高度和水平方向可调的手推车上。作为优选，所述待测样品与接触垫之间通过用导电胶或导电膏进行粘贴固定。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述测量装置的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其骤如下S1：选择校准频段范围，使用50Ω理想校准件和所述PCB校准元件对矢量网络分析仪进行SOLT校准，校准之后在上位机中创建校准文件；S2：将待测样品连接在PCB测试元件的微带间隔上，并保证待测样品两端各自与间隔两侧的两个接触垫连通；将PCB测试元件置于亥姆霍兹线圈中，并保持磁场方向平行于待测样品长度方向；分别将PCB测试元件的两个SMA连接器以同轴连接的方式连接到矢量网络分析仪的两个端口上，激活S1中创建的校准文件进行后续测量；S3：在亥姆霍兹线圈不施加外磁场情况下，在矢量网络分析仪中输入测量的起始频率、终止频率和频率点数，测量样品在每个频率点的传输系数S21M的相位：ω是角频率，ω＝2πf，f是频率；H是沿样品长度方向的外磁场强度，在亥姆霍兹线圈不施加外磁场情况下H＝0；Im表示虚部，Re表示实部，S21M(ω,H＝0)表示样品在ω角频率和外磁场强度H＝0下的测量传输系数；表示样品在ω角频率和外磁场强度H＝0下的测量传输系数的相位；S4：在校准频段范围内，使用相位展开法将周期性跳跃的展开为连续的直线；S5：对相位展开后的中呈线性分布的离散频点，采用最小二乘法进行线性回归，得到线性回归方程y(ω)＝aω+b；然后得到延迟时间Δt，延迟时间等于线性回归线斜率a的绝对值；S6：利用亥姆霍兹线圈对待测样品施加目标外磁场强度，在矢量网络分析仪中设定目标频率；然后测量目标频率及目标外磁场强度下待测样品的传输系数S21M(ω,H)，基于S4中得到的延迟时间Δt，使用复指数函数得到归一化后的传输系数S21(ω,H)：式中：i是虚数单位；S7：归一化后的S21通过以下标准公式计算得到待测样品在目标频率及目标外磁场强度下的阻抗Z：式中：Z(ω,H)是在ω角频率和外磁场强度H下的阻抗。作为优选，所述的步骤S4中，相位在±π位置发生跳跃，相位展开时将第n次发生跳跃的部分垂直平移-2πn，从而将展开为连续的直线。作为优选，所述的步骤S5中，最小二乘法进行线性回归时，须使以下函数最小化：式中：N为用于线性回归的离散点个数，ωi表示第i个离散点的角频率。本专利技术通过引入延迟时间，对沿样品长度方向的波导特性进行相位补偿，可以在不更换样品和PCB测试元件的前提下，实现从kHz到15GHz的超宽频阻抗测量。此外，本专利技术提出的测量方法可实现多场下(磁场，温度场和应力场)原位宽频带阻抗测量。进一步地，本方法还可用于开发模拟单个分散相或含有纤维或片状分散相的复合材料的微波响应的混合方法：利用本方法测量阻抗，进而计算复合材料表面阻抗，可作为天线方程中的边界条件对含分散相的复合材料在自由空间内与电磁波相互作用的微波响应进行建模，预测复合材料的阻抗特性。因此，在该理论模型中无需考虑样品本征磁畴结构的影响。附图说明图1为PCB校准元件示意图；图2为PCB测试元件示意图；图3a为测量系统示意图，图3b为基于Labview程序的测量系统工作流程图；图4为使用PCB校准元件对矢量网络分析仪进行SOLT校准后，典型的磁性样品测量传输系数S21M相位频谱；图5为相位缠绕和相位展开图解；图6为选择展开相位的线性部分用于计算延迟时间；图7为相位补偿前后Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3玻璃包覆微米丝在外加0Oe和52Oe偏置磁场时的阻抗频谱；图8为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3玻璃包覆微米丝的阻抗频谱；图9为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3玻璃包覆微米丝的磁阻抗曲线。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术进行进一步说明。本实施例中，一种基于微带线法的宽频带阻抗测量装置，包括矢量网络分析仪(VNA)、PCB校准元件、PCB测试元件、上位机、亥姆霍兹线圈、任意波发生器、功率放大器、直流双向电源和数字万用表(DMM)。其中，PCB校准元件如图1所示，它用于矢量网络分析仪的校准。PCB校准元件的基材为PCB板，表面同时贴装有短路、开路、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，包括矢量网络分析仪、PCB校准元件、PCB测试元件、上位机、亥姆霍兹线圈、任意波发生器、功率放大器、双向直流电源，数字万用表；所述的PCB校准元件用于矢量网络分析仪的校准；PCB校准元件的基材为PCB板，表面同时贴装有短路、开路、负载和直通四种标准件；每个标准件的两端均连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；所述的PCB测试元件的基材为PCB板，表面贴装有两条微带线，且两条微带线的一端均设有接触垫，两个接触垫之间具有间隔，用于连接待测样品；两条微带线的另一端分别连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；所述的任意波发生器和直流双向电源均通过功率放大器与亥姆霍兹线圈相连；所述的数字万用表用于检测亥姆霍兹线圈上的实际电压；所述的矢量网络分析仪、任意波发生器和数字万用表均与上位机相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，包括矢量网络分析仪、PCB校准元件、PCB测试元件、上位机、亥姆霍兹线圈、任意波发生器、功率放大器、双向直流电源，数字万用表；所述的PCB校准元件用于矢量网络分析仪的校准；PCB校准元件的基材为PCB板，表面同时贴装有短路、开路、负载和直通四种标准件；每个标准件的两端均连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；所述的PCB测试元件的基材为PCB板，表面贴装有两条微带线，且两条微带线的一端均设有接触垫，两个接触垫之间具有间隔，用于连接待测样品；两条微带线的另一端分别连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；所述的任意波发生器和直流双向电源均通过功率放大器与亥姆霍兹线圈相连；所述的数字万用表用于检测亥姆霍兹线圈上的实际电压；所述的矢量网络分析仪、任意波发生器和数字万用表均与上位机相连。2.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述的PCB板采用罗杰斯PCB板，厚度为0.8-1.6mm。3.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述的四种标准件中，标准短路件通过在微带线末端打接地通孔实现上下两个地平面之间的连接；标准开路件为开路微带线；标准负载件为由两个并联的威世100Ω射频电阻得到的50Ω负载；标准直通件为一条连续的微带线。4.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述的待测样品为磁性或非磁性的导电纤维或导电薄膜。5.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，两个所述的接触垫的间距为3～20mm，，所述接触垫的长度为1～2mm。6.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所有设备均放置在高度和水平方向可调的手推车上。7.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述待测样品与接触垫之间通过用导电胶或导电膏进行粘贴固定。8.一种利用如权利要求1所述测量装置的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其特征在于，步骤如下S1：选择校准频...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭华新，郑雪飞，秦发祥，迪米特里马克诺夫斯基，王欢，赵雨婕，王云飞，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33