低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统及方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统及方法，属于微波、毫米波测试技术领域。该测试系统创新性地结合矩形谐振腔和自由空间法测试技术，通过矩形谐振腔来控制待测材料处的电场强度大小，通过谐振腔开孔设置双通石英试管，在矩形谐振腔两端设置椭球面反射镜来实现自由空间法测试待测材料毫米波段介电性能，利用矩形谐振腔来提供低频微波电场，避免了激励信号与测试信号模式之间的模式干扰、测试时矢量网络分析仪频段跨度大等问题，大大提高了测试的准确性；同时，本发明专利技术设计的介电测试系统具有测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统及方法


[0001]本专利技术属于微波、毫米波测试
，具体涉及一种低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统及方法。

技术介绍

[0002]吸波材料在军事领域和民用领域有着广泛的应用。在军事领域，吸波材料可以作为一种重要的军事隐身功能材料，可以减少或消除雷达、红外线等产生的电磁波对飞行器、坦克、舰艇等的探测；在民用领域，吸波材料可用于电磁信息泄露防护、电磁辐射防护和建筑吸波等等。介电常数决定了吸波材料的吸波能力强弱，而以雷达为代表的微波器件工作在毫米波频段，因此研究吸波材料的毫米波介电性能十分重要。此外，随着移动通信系统的高速发展，空间电磁辐射的电磁能量正在逐年递增。因此，如何在与外界空间等效的低频微波电场环境下实现对吸波材料在毫米波波段的介电性能测试就尤为重要。
[0003]传统的介电性能测量技术包括谐振腔法和网络参数法，前者具有操作简单、适用范围广且设备要求简单等特点，但测量范围仅局限于中低介电常数材料及低损耗材料，不适用于对吸波材料测试；后者把待测材料及系统整体等效为一个单端口或双端口网络，然后利用电磁波传输反射等来测量该网络的散射参数，并据此计算待测材料的电磁参数，适用于对吸波材料介电参数测量，但是该方法无法提供稳定的低频电场环境。
[0004]对于低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试，电子科技大学李恩团队(高勇.典型材料高功率下微波介电特性研究[D].电子科技大学,2019.)开展了部分研究工作，将激励微波电场环境的激励信号与测试材料介电性能的测试信号取为同一个谐振腔的两个不同模式进行，获得了低频段部分材料的介电性能随微波电场强度变化的演变规律。但这种方法对于低频微波电场环境下吸波材料毫米波频段介电性能的测试具有一定的缺陷，如单个谐振腔只能产生同频或者频率跨度不大的激励信号；另外，即使可以勉强达到低频微波段到毫米波频段的同时覆盖，各种杂模干扰对于测试精度影响不容忽略，即容易造成模式干扰问题。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统及方法。该测试系统创新性地结合矩形谐振腔和自由空间法测试技术，实现对吸波材料在低频微波电场作用下毫米波频段介电常数测量，避免了单个谐振腔测试时频段跨度大、激励低频微波电场环境的激励信号与测试待测材料毫米波频段介电性能的测试信号模式之间的干扰等问题，大大提高了测试的准确性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统，包括第一矢量网络分析仪1、第二矢量网络分析仪2、第一带阻滤波器3、第二带阻滤波器4、第一喇叭天线5、第二喇叭天线6、第一椭球面反射镜7、第二椭球面反射镜8、矩形谐振腔9、石英试管10、第一隔离器12、
功率放大器13、第二隔离器14、定向耦合器15、匹配负载20和微波电探针21；
[0008]其中，第一带阻滤波器3的一端与第一矢量网络分析仪1的一个端口相连，第一带阻滤波器3的另一端与第一喇叭天线5相连；第二带阻滤波器4的一端与第一矢量网络分析仪1的另一个端口相连，第二带阻滤波器4的另一端与第二喇叭天线6相连；第二矢量网络分析仪2的一个端口与第一隔离器12的一端相连，第二矢量网络分析仪2的另一个端口与定向耦合器耦合端口19相连；第一隔离器12的另一端依次与功率放大器13、第二隔离器14、定向耦合器15的输出端16相连；定向耦合器15的输入端17与微波电探针21相连，定向耦合器隔离端18与匹配负载20相连；
[0009]所述微波电探针21设置于矩形谐振腔9腔内的一端，矩形谐振腔9的中心处设置石英试管10，所述石英试管10两端开口，高度与矩形谐振腔9的高度相同，待测吸波材料设置于石英试管10中心壁上；
[0010]第一椭球面反射镜7的椭球面长轴与第一喇叭天线5的轴线呈45度夹角，且第一喇叭天线5的相位中心位于第一椭球面反射镜7的第一焦点处；第二椭球面反射镜8的椭球面长轴与第二喇叭天线6的轴线呈45度夹角，第二喇叭天线6相位中心位于第二椭球面反射镜8的第一焦点处；石英试管10中心同时位于第一椭球面反射镜7的第二焦点和第二椭球面反射镜8的第二焦点处。
[0011]进一步地，第一喇叭天线5和第二喇叭天线6的口径场均匀分布，且副瓣电平比主瓣电平小20dB以上。
[0012]进一步地，所述喇叭天线5、6为双模喇叭天线或波纹喇叭天线。
[0013]进一步地，第一椭球面反射镜7和第二椭球面反射镜8的材料均为黄铜。
[0014]本专利技术还提供基于上述测试系统对吸波材料进行介电测试的方法，包括如下步骤：
[0015]步骤1.不放置待测材料，对第一矢量网络分析仪1进行响应校准；
[0016]步骤2.校准完成后，在石英试管10内设置待测材料，利用第一矢量网络分析仪1测试待测材料11在所需测试微波电场强度点下的回波损耗系数S
11
和传输系数S
21
；
[0017]步骤3.根据步骤2所测得的加载待测材料时的回波损耗系数S
11
和传输系数S
21
及步骤1的校准数据，计算得到待测材料的相对复介电常数，具体计算过程如下：
[0018][0019]其中：
[0020][0021]z为待测材料的归一化特征阻抗，γ为待测材料的传播常数，d为待测材料的厚度，Γ为待测样品表面反射系数，T为待测样品表面传输系数；
[0022][0023]其中，γ为待测材料的传播常数，γ0为自由空间的传播常数，λ0为自由空间波长，ε
r
为待测材料的介电常数，μ
r
为待测材料的磁导率；
[0024]由式(1)，Γ和Τ可以写为：
[0025][0026]其中，K为中间变量；
[0027]根据式(2)，待测材料传播常数γ可以写为：
[0028][0029]由式(2)和式(3)有：
[0030][0031]通过式(4)、式(5)和式(6)可以获得：
[0032][0033]进一步地，步骤2中微波电场强度可以通过调整输入功率改变，微波电场强度和输入功率之间的关系具体为：
[0034]调整激励信号频率，使矩形谐振腔工作在TE
101
模式，对于矩形谐振腔TE
101
模，腔内的电磁场分布为:
[0035][0036]其中，E0为电场强度幅值，Z
TE
为TE
101
模的波阻抗，η为自由空间波阻抗，a为矩形谐振腔的长度，d为矩形谐振腔的高度；
[0037]若矩形谐振腔内只有腔壁引起的电导损耗，则腔体损耗P
c
为：
[0038][0039]其中，H
t
为腔壁表面的切向磁场分量，b为矩形谐振腔的宽度，R
s
为矩形谐振腔的表面电阻，λ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统，其特征在于，包括第一矢量网络分析仪(1)、第二矢量网络分析仪(2)、第一带阻滤波器(3)、第二带阻滤波器(4)、第一喇叭天线(5)、第二喇叭天线(6)、第一椭球面反射镜(7)、第二椭球面反射镜(8)、矩形谐振腔(9)、石英试管(10)、第一隔离器(12)、功率放大器(13)、第二隔离器(14)、定向耦合器(15)、匹配负载(20)和微波电探针(21)；其中，第一带阻滤波器(3)的一端与第一矢量网络分析仪(1)的一个端口相连，第一带阻滤波器(3)的另一端与第一喇叭天线(5)相连；第二带阻滤波器(4)的一端与第一矢量网络分析仪(1)的另一个端口相连，第二带阻滤波器(4)的另一端与第二喇叭天线(6)相连；第二矢量网络分析仪(2)的一个端口与第一隔离器(12)的一端相连，第二矢量网络分析仪(2)的另一个端口与定向耦合器的耦合端(19)相连；第一隔离器(12)的另一端依次与功率放大器(13)、第二隔离器(14)、定向耦合器(15)的输出端(16)相连；定向耦合器(15)的输入端(17)与微波电探针(21)相连，定向耦合器的隔离端(18)与匹配负载(20)相连；所述微波电探针(21)设置于矩形谐振腔(9)腔内的一端，矩形谐振腔(9)的中心处设置石英试管(10)，所述石英试管(10)两端开口，高度与矩形谐振腔(9)的高度相同，待测吸波材料设置于石英试管(10)中心壁上；第一椭球面反射镜(7)的椭球面长轴与第一喇叭天线(5)的轴线呈45度夹角，且第一喇叭天线(5)的相位中心位于第一椭球面反射镜(7)的第一焦点处；第二椭球面反射镜(8)的椭球面长轴与第二喇叭天线(6)的轴线呈45度夹角，第二喇叭天线(6)相位中心位于第二椭球面反射镜(8)的第一焦点处；石英试管(10)中心同时位于第一椭球面反射镜(7)的第二焦点和第二椭球面反射镜(8)的第二焦点处。2.如权利要求1所述的低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统，其特征在于，第一喇叭天线(5)和第二喇叭天线(6)的口径场均匀分布，且副瓣电平比主瓣电平小20dB以上。3.如权利要求1所述的低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统，其特征在于，所述喇叭天线为双模喇叭天线或波纹喇叭天线。4.如权利要求1所述的低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统，其特征在于，第一椭球面反射镜(7)和第二椭球面反射镜(8)的材料均为黄铜。5.一种基于如权利要求1
‑
4任一权利要求所述的低频微波电场作用下吸波材料毫米波介电测试系统对吸波材料进行介电测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.不放置待测材料，对第一矢量网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，邹亦轩，沈荣华，朱辉，张云鹏，高冲，余承勇，李恩，谢春茂，张薇，李兴兴，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：