材料微波介电常数和磁导率测量

材料微波介电常数和磁导率测量摘要：材料的微波介电常数和磁导率决定了材料对于微波波段电磁波的吸波能力，是材料重要的物理性质。本文使用微波开短路方法测量了材料的微波介电常数和磁导率。关键词：微波介电常数；磁导率；同轴系统1.引言隐身技术是通过控制、降低目标的可探测信号特征，使其不易被微波、红外、可见光、声波等各种探测设备发现、跟踪、定位的综合技术。其中，微波隐身（或称雷达波隐身）的研究早在20世纪30年代就开始了。现在已经发展成集形状隐身、材料隐身等一体的高度复杂的技术，并已应用到导弹、飞机、舰船、装甲车辆、重要军事设施等许多武器装备上。雷达隐身技术中，最简单的一种是涂覆型隐身技术。它是将吸收材料直接以一定的厚度涂覆在外壳以降低对微波的反射，减小雷达探测截面，提高隐身能力。2.实验目的1.了解和掌握微波开路和短路的含意和实现方法。2.掌握测量材料微波介电常数和磁导率的原理和方法。3.了解微波测试系统元部件的作用。3.实验原理对于涂覆在金属平板（假定其为理想导体，下同）表面的单层吸波材料，空气浴涂层界面出的输入阻抗为：Z=𝑍0√𝜇𝛾𝜀𝛾𝑡ℎ(𝛾𝑑)（1）其中𝑍0√𝜇0𝜀0=377Ω是自由空间波粗口，γ是电磁波在涂层中的传播常数，d是吸波涂层厚度，𝜇𝛾，𝜀𝛾分别为涂层的相对磁导率和相对介电常数。当电磁波有空气向涂层垂直入射式，在界面上的反射系数为：Γ=𝑍−𝑍0𝑍+𝑍0（2）以分贝（dB）表示的功率反射率为：R=20lg|Γ|（3）对于多层涂覆，电磁波垂直入射到第n层是，其输入阻抗为：𝑍𝑛=𝜂𝑛𝑍𝑛−1+𝜂𝑛𝑡ℎ(𝛾𝑛𝑑𝑛)𝑛𝑛+𝑍𝑛−1𝑡ℎ(𝛾𝑛𝑑𝑛)（4）其中，𝜂𝑛=√(𝜇𝑛′−𝑗𝜇𝑛′′)/(𝜀𝑛′−𝑗𝜀𝑛′′)是第n层的特性阻抗，𝛾𝑛=j𝜔𝑐√(𝜇𝑛′−𝑗𝜇𝑛′′)/(𝜀𝑛′−𝑗𝜀𝑛′′)是第n层的传播常数，𝑑𝑛为第n层的厚度，𝑍𝑛−1为第n-1层入射面的输入阻抗。理想导体平板的输入阻抗为0，最外层的输入阻抗可以通过迭代法得出，从而由公式（2）和公式（3）得到反射率。由此可见，无论是单层涂覆还是多层涂覆，测出各层材料的复介电常数𝜀𝑟和复磁导率𝜇𝑟及其与频率的关系是设计隐身涂层的关键。网络分析仪今年已较多地用于测量材料微波波段的𝜇𝑟，𝜀𝑟，但其价格较高。我们在此介绍一种基于测量线的波导测量装置，用其测出开路，短路二点阻抗，推算出𝜇𝑟和𝜀𝑟。图1是该装置的示意图。图1一种基于测量线的波导测量装置在微波测量中，是通过驻波的测量来得到阻抗。对图1所示的测量装置，可以用如图2所示的传输线模型进行分析。图2传输线模型以𝑒𝛾𝑧表示入射波，𝑒−𝛾𝑧表示反射波，γ=α+jβ为传播常数，入射波电压振幅与电流振幅之比为+𝑍𝑐，反射波此比值为−𝑍𝑐，坐标为z点的电压复振幅与电流复振幅之比称为该店输入阻抗，简称该点阻抗Z(z)，即：Z(z)=𝑈(𝑧)𝐼(𝑧)=𝑍𝑐𝑒𝛾𝑧+Γ𝐿𝑒−𝛾𝑧𝑒𝛾𝑧−Γ𝐿𝑒−𝛾𝑧=𝑍𝑐𝑍𝐿+𝑍𝑐𝑡ℎ𝛾𝑧𝑍𝑐+𝑍𝐿𝑡ℎ𝛾𝑧（5）其中，Γ𝐿是负载上的电压反射系数，可以推得：Γ𝐿=𝑍𝐿−𝑍𝑐𝑍𝑐+𝑍𝐿=|Γ𝐿|𝑒𝑗𝜙𝐿（6）坐标为z点的电压反射系数:Γ(z)=𝑈𝑟(𝑧)𝑈𝑖(𝑧)=𝑈𝑟𝐿𝑒+𝛾𝑧𝑈𝑖𝐿𝑒−𝛾𝑧=Γ𝐿𝑒−2𝛾𝑧=|Γ𝐿|𝑒−2𝛾𝑧𝑒−𝑗(𝜙𝐿−2𝛽𝑧)=|Γ𝐿|𝑒𝑗𝜙(𝑧)（7）其中|Γ(𝑧)|=|Γ𝐿|𝑒−2𝛼𝑧，ϕ(z)−𝜙𝐿=2𝛽𝑧，于是从（5）式又推得：Z(z)=𝑍𝐶1+Γ𝐿(𝑧)1−Γ𝐿(𝑧)（8）当线上有两点𝑧1和𝑧2，𝑧1−𝑧2=𝑙，两点阻抗分别为𝑍1，𝑍2，则：𝑍2=𝑍𝐶𝑍1+𝑍𝐶𝑡ℎ𝛾𝑙𝑍𝐶+𝑍𝐶𝑡ℎ𝛾𝑙（9）定义驻波最大点与最小点电压之比为电压驻波比：ρ=𝑒𝛾𝑧𝑚𝑎𝑥𝑒𝛾𝑧𝑚𝑖𝑛∗1+|Γ(𝑧𝑚𝑎𝑥)|1−|Γ(𝑧𝑚𝑖𝑛)|（10）在图1所示测量装置上，当终端短路时，即𝑍𝐿=0，由（5）式知，样品输入端面向终端的等效阻抗为：𝑍1短=𝑍𝐶介质𝑡ℎ𝛾𝑙介质（11）𝑍1也是空气波导的负载阻抗，其中𝑍𝐶介质是介质波导的特性阻抗，𝑙介质是测量样品的厚度。当终端接上四分之一波导波长长度的短路线时，根据（5）式，从B端向右看B处的阻抗为：𝑍𝐵=𝑍𝐶𝑍𝐿+𝑗𝑍𝐶tan⁡(𝑘𝑔𝜆𝑔/4)𝑍𝑐+𝑗𝑍𝐿tan⁡(𝑘𝑔𝜆𝑔/4)此时𝑍𝐿=0，𝑘𝑔=2𝜋𝜆𝑔，因此𝑍𝐵=𝑍𝐶𝑡𝑎𝑛𝜋2→∞，B端等效开路。于是，由（5）式知，样品输入端面向终端的等效阻抗为：𝑍1开=𝑍𝐶介质𝑡ℎ𝛾𝑙介质（12）同时，由（5）式知，在距离样品输入端面D的驻波最小点处阻抗是：Z(D)=𝑍𝐶𝑍1+𝑗𝑍𝐶tan⁡(𝑘𝑔𝐷)𝑍𝑐+𝑗𝑍𝐿tan⁡(𝑘𝑔𝐷)由此得：𝑍1=𝑍𝐶1−𝑗𝑍𝐶𝑍(𝐷)tan⁡(𝑘𝑔𝐷)𝑍𝐶𝑍(𝐷)−𝑗tan⁡(𝑘𝑔𝐷)由（8）式得：𝑍𝐶𝑍(𝐷)=1−Γ(𝐷)1+Γ(𝐷)=1−|Γ|𝑒𝑗𝜙1+|Γ|𝑒𝑗𝜙在驻波最小点𝑒𝑗𝜙=𝑒𝑗(2𝑛+1)𝜋=−1，所以𝑍𝐶𝑍(𝐷)=1+|Γ|1−|Γ|=𝜌由此得：𝑍1𝑍𝐶=1−𝑗𝜌tan⁡(𝑘𝑔𝐷)𝜌−𝑗tan⁡(𝑘𝑔𝐷)（13）可见测出驻波比𝜌即可得𝑍1𝑍𝐶。对于柱状波导中的TE波，𝑍𝐶=𝑗𝜔𝜇𝛾，因此介质波导的𝑍𝐶介质=𝑗𝜔𝜇0𝜇𝑟𝛾，空气波导的𝑍𝐶≈𝜔𝜇0𝑘𝑔，因此，𝜇𝑟=−j𝜆𝑔2𝜋𝛾𝑍𝐶介质𝑍𝐶（14）由（11）式和（12）式得：𝑍𝐶介质𝑍𝐶=√𝑍1短𝑍𝐶∗𝑍1开𝑍𝐶⁡⁡（15）γ=1𝑙介质𝑎𝑟𝑐𝑡ℎ√𝑍1短/𝑍𝐶𝑍1开/𝑍𝐶（16）分别测出终端短路和等效开路两种状态的驻波比ρ，综合（13）（14）（15）（16）式即可得到𝜇𝑟值。在介质波导中，𝑘𝑐2=𝜔2𝜇𝜀+𝛾2=𝑘02𝜇𝑟𝜀𝑟+𝛾2因此，𝜀𝑟=𝑘𝑐2−𝛾2𝑘02𝜇𝑟=(𝜆02𝜋)2(2𝜋𝜆𝑐)2−𝛾2𝜇𝑟（17）其中𝜆0为自由空间波长，𝜆𝑐为波导截止波长。从以上分析显而易见这种开路、短路两点法测量比较简便，可以同时的到𝜇𝑟和𝜀𝑟，且不需解超越方程。4.实验仪器测试系统如图3所示，用微波源的等幅波，外调制用1KHz的方波，以提高稳定度和测量精度。图3实验系统示意框图5.实验内容1.调节微波测试系统，选择好工作频率，测试系统处于稳定可靠的工作状态（极化衰减器置于0.5dB）。2.测量待测材料厚度和波导板厚度。3.参考点位置的测量，测量线终端短路，用等指示法测得终端短路时最小点的位置作为参考点d。测量波导波长，与频率计划的频率计算出的波导波长比较误差。4.短路测量材料参数。将材料片和短路板接入测量线的输出端，用等指示法测得最小点的位置和最小点的藕合电压放大值，用精密衰减器，用替代法测得电压最大值和最小值之间的替代分贝数。5.开路测量材料参数。将可调短路活塞置于𝜆𝑔/4的位置使活塞波导口呈开路状态，与材料一片并接入测量线的输出端，与上相同测量开路状态下驻波最小点的位置，最小点位置上耦合电压的放大值与最大值的替代量。6.用测得的数据输入程序计算出𝜇𝑟和𝜀𝑟。7.改变微波频率f，测量𝜇𝑟和𝜀𝑟与频率f的关系。6.实验数据及处理1.基本参量参量材料厚度/mm波导管长度/mm微波频率/GHz测量值1.9022.609.002.对于波导波长𝜆𝑔的测量驻波节点数12距离/mm125.90150.80从而可以求的波导波长𝜆𝑔=49.80𝑚𝑚。3.开短路测量参数短路状态：最大值最小值D/mm电压读数548144126.36分贝数4050开路状态：最大值最小值D/mm电压读数362450126.94分贝数4060从而可分别求得其驻波比为38.06及80.44。综上，利用（13）~（17）式，即可求得材料的微波介电常数和磁导率分别为：𝜇𝑟=−1.384175817516661−1.8451417415588451ⅈ𝜀𝑟=9.463735789455873 +9.718332677860534ⅈ7.思考题1.本实验测得材料的𝝁和𝜺其主要误差来源是什么？答：1.微波信号源输出的信号不完全稳定。2.由于实验中的驻波并不完美，在最值读取时有一段变化极为缓慢的过程，这对最值及距离的测量都会造成误差。2.微波吸收材料要提高吸波性能，对𝝁和𝜺有何要求？答：由（1）~（3）式可推得功率反射率R与𝜇和𝜀的关系，从中可以看出两者的比值要与相应电磁波的频率匹配，才能最大程度提高吸波性能。8.参考文献【1】黄润生，近代物理实验（第二版），南京大学出版社