CN107543970A - 一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于介电常数测量技术领域，提供一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法，用于同轴结构介质材料的测量；本发明采用三段式同轴夹具，包括左段夹具、中段夹具及右段夹具，均用于填充待测介质，其连接方式为：左段夹具与右段夹具连接、或者左段夹具、中段夹具、右段夹具依次连接；首先，采用多个样本介质材料建立数据库；然后将填充待测介质材料后的左段夹具与右段夹具连接，测得S参数，并确定夹具参数；最后将填充待测介质材料后三段夹具依次连接，测得S参数，并通过夹具去嵌入处理，使其校准端面位于待测样本内部，精确测量的待测介质材料介电常数。本发明具有低成本、操作简便、装配要求较低、具有较高精度等优点。
Description
技术领域
本发明属于介电常数测量技术领域，具体涉及一种用于同轴结构介质材料的基于数据库校准方法的介电常数测量方法。
背景技术
随着科技的进步，微波技术在生产、生活以及国防军事中得到越来越多的应用，而在微波技术中，电磁波的传播以及发射是该理论的基础，因此，对微波传输线的研究一直是研究的热点，在与材料科学的结合中，微波传输线得到了快速的发展，而对传输线所利用的材料介质的电磁特性的把握，是传输线生产过程中的关键所在。目前在微波领域，同轴线是广泛应用的一种传输线，因此，快速、准确、低成本的测量同轴结构材料的介电常数，在研究与生产过程中具有重要意义。
目前，常见介质介电常数的测量方法有传输\反射法、谐振腔法、自由空间法。其中，自由空间法可以实现对介质的非接触测量，如申请号为CN201410049841.1、发明名称为“一种精确测量介电常数的测试***及方法”的专利文献中公开了一种利用天线输入阻抗的变化和辐射场准确测量出样本的电磁参数的方法；但该方法对于介质材料处理要求较高，且该方法相对复杂，需要设计低噪放、混频器、功率放大器等整套的T\R组件以及特制的天线等，成本较高，且适用范围有限。谐振腔法，虽然对于低损耗的材料有较好的测量精度，但同样存在测量频段窄，测量仪器复杂等缺点。传输\反射法最早由Nicolson、Ross与Weir等人于1970年提出，因此也称为NRW法，其方法本质是利用单次反射系数与单次传输系数与介电常数的关系来求出复介电常数；该方法将待测样本置于空气传输线中，通过测量双端口的S参数，再结合去嵌入处理，反演得到待测样本的复介电常数，对于该方法，目前已得到一定应用，如申请号为CN201510305197.4、发明名称为“固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试***”的专利文献中公开了一种基于传输\反射法的介电常数的变温测试方法；但是针对此种方法，仍然存在一定缺点：首先，测量时，由于样本是置于空气传输线中的，对于***的装配要求较高、对于待测样本要进行精确定位，否则将引起测量误差；其次，对于测量端面，需要进行去嵌入处理，若使用TRL去嵌入方法，可获得较高校准精度，但是夹具往往是非标器件，需定制校准件，成本高昂，若仅利用相位变换进行处理，则会带来一定的损耗误差。
发明内容
本发明的目的在于针对以上介电常数测量方法的缺点，提供一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法，该方法通过同轴夹具，采用矢量网络分析仪获得S参数，并通过建立数据库进行夹具去嵌入，并校准到待测样本内部端面以直接获得单次传播常数的复介电常数。本发明测量对象为用于同轴结构的介质材料，相对于传统介电常数测量方法，本发明具有低成本、操作简便、装配要求较低、具有较高精度等优点。
为实现上述目的，本发明采用的解决方案为：
一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法，其特征在于，采用三段式同轴夹具，包括左段夹具、中段夹具及右段夹具，均用于填充待测介质，其连接方式为：左段夹具与右段夹具连接、或者左段夹具、中段夹具、右段夹具依次连接；具体包括以下步骤：
步骤1.建立数据库：将N个样品介质材料分别填充至左段夹具和右段夹具，通过电磁仿真软件分别测得左段夹具和右段夹具的S参数：
左段夹具Sl：右段夹具Sr：
并将左段夹具和右段夹具S参数分别变换为T参数：
左段夹具Tl：右段夹具Tr：
计算得左段夹具与右段夹具级联的T参数Ta：
在将左段夹具与右段夹具级联的T参数Ta转换为S参数Sa：
将参数Tl、Tr、Ta、Sa均存入数据库，即建立参数数据库，用于进行夹具去嵌入；
步骤2.将待测介质材料分别填充至左段、中段及右段夹具，将左段夹具与右段夹具连接、并接入矢量网络分析仪，测量得S参数Ss：
计算数据库中参数Sa与Ss误差值：
找出最小误差值的Sa参数、标记为其对应Tl、Tr参数认定为填充待测介质后左段夹具、右段夹具的T参数、分别标记为
步骤3.夹具去嵌入：将左段夹具、中段夹具、右段夹具依次连接，并接入矢量网络分析仪，测量得S参数Sz，并转换为T参数Tz：
计算得填充待测介质后中段夹具的T参数Tx：
并转换为S参数Sx：
则计算得待测介质材料介电常数εr：其中，T＝Sx21，c为光速，ω＝2πf、f为频率，d为中间段待测介质的长度。
本发明中，S参数与T参数相互转换公式如下：
其中，ΔS＝S11S22-S12S21,i＝1,2,3...N，
其中，ΔT＝T11T22-T12T21,i＝1,2,3...N；
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法，该方法采用三段式的同轴夹具，待测介质材料填充于左中右三段夹具中，由于待测样介质材料在左右两端夹具内是相同的，即连续的，所以求得的S参数即为待测样本的单次传输系数，进而依据单次传输系数与复介电常数之间的关系，求出待测复介电常数；同时，待测介质材料作为夹具的一部分，则校准端面与夹具端面之间不存在不连续性，经过夹具去嵌入处理后，其校准端面位于待测样本内部，大大提高测量精度；同时，该夹具转配过程中能够尽量减小由样本定位不精确造成的误差；综上，本发明具有低成本、操作简便、装配要求较低、具有较高精度等优点。
附图说明
图1为本发明中三段式同轴夹具沿轴线垂直方向上的剖视图；其中，1为金属螺纹，2为外导体，3为SMA转接头支撑介质(通常为聚四氟乙烯)，4为SMA内导体，5为空气，6、7为销钉孔，A-F表示端面A到端面F。
图2为本发明中待测介质材料的装配示意图。
图3为本发明中三段式同轴夹具的三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，不能理解为对本发明的限制。
本实施例提供一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法，其采用的三段式同轴夹具的结构如图1所示，夹具之间利用销钉或螺丝钉连接，特别地，左段夹具既可以直接与右段夹具相接、如图3(b)所示，也可以左中右三段依次连接、如图3(a)所示；左右两段夹具用于将非标同轴介质转变为SMA连接器尺寸，以连接矢量网络分析仪测量S参数，夹具的左右端口采用SMA转接头设计，可直接通过SMA与同轴线进而与矢网连接。其中如图1、图2所示，左侧夹具即端面A、C部分长为L1，中间样本夹具即端面C、D间长为L2，右侧夹具即端面D、F间长为L3，需要指出，L1＝L3。
本实施例中，首先采用多个样品介质材料建立数据库，例如，对于聚四氟乙烯发泡材料，可建立介电常数1.0～2.1，虚部0.002～0.02的数据库，其步进值选择越精确，则测量结果越精确；切割一段长度为2*L1+L2+2*L3的待测同轴缆，首先将缆切割为长分别为L1、L3、L1+L2+L3的三部分，将长为L1、L3分别装入左段与右段夹具，特别地，Ll＝L3；将左右两侧夹具对接，接入矢量网络分析仪，S参数Ss；并与数据库中的S参数进行对比，选择实测与模型误差最小的S参数，作为夹具的S参数；在将三段夹具依次连接，并将长为L1+L2+L3的待测介质装入，连接矢量网络分析仪测量介质S参数；代入matlab编写的去嵌入算法，通过所述二端口网络矩阵级联的方法，将测得介质S参数从A、F端面转换到C、D端面，如图1所示；最后将所得到的的C、D端面的S参数带入所设计matlab程序，进行计算得出待测介质的复介电常数，由微波网络以及传输线理论，C、D端面的S21即为样本中的单次传输系数T，对于非磁性材料，有公式：由该式可得：其中T＝S21，ω＝2πf，c为光速，f为频率，d为端面C、D间长度、即待测介质长度L2。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (1)
1.一种基于数据库校准方法的介电常数测量方法，其特征在于，采用三段式同轴夹具，包括左段夹具、中段夹具及右段夹具，均用于填充待测介质，其连接方式为：左段夹具与右段夹具连接、或者左段夹具、中段夹具、右段夹具依次连接；具体包括以下步骤：
步骤1.建立数据库：将N个样品介质材料分别填充至左段夹具和右段夹具，通过电磁仿真软件分别测得左段夹具和右段夹具的S参数：
左段夹具Sl：右段夹具Sr：
并将左段夹具和右段夹具S参数分别变换为T参数：
左段夹具Tl：右段夹具Tr：
计算得左段夹具与右段夹具级联的T参数Ta：
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在将左段夹具与右段夹具级联的T参数Ta转换为S参数Sa：
将参数Tl、Tr、Ta、Sa均存入数据库，即建立参数数据库，用于进行夹具去嵌入；
步骤2.将待测介质材料分别填充至左段、中段及右段夹具，将左段夹具与右段夹具连接、并接入矢量网络分析仪，测量得S参数Ss：
计算数据库中参数Sa与Ss误差值：
找出最小误差值的Sa参数、标记为其对应Tl、Tr参数认定为填充待测介质后左段夹具、右段夹具的T参数、分别标记为
步骤3.夹具去嵌入：将左段夹具、中段夹具、右段夹具依次连接，并接入矢量网络分析仪，测量得S参数Sz，并转换为T参数Tz：
计算得填充待测介质后中段夹具的T参数Tx：
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并转换为S参数Sx：
则计算得待测介质材料介电常数εr：其中，T＝Sx21，c为光速，ω＝2πf，f为频率，d为中间段待测介质的长度。
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