CN110765612B - 一种基于去嵌入误差的材料s参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了，属于材料S参数测量技术领域，包括建立测量过程的信号流程图，确定嵌入误差的状态方程；根据测量过程的信号流程图，通过改变测试样本，构建材料S参数测量***中端口网络的五种状态模型；建立五种状态模型的夹具S参数状态方程，确定夹具S参数；将夹具S参数代入嵌入误差的状态方程，计算得到待测材料的真实S参数。本发明与传统的基于TRL原理设计嵌入式误差端口网络模型的三种状态相比，提出了五种状态模型。然后，根据五种状态模型建立状态方程。在双端口级联网络的分析中，直接列出了S参数的相关方程，并没有采用传统的S参数和T参数转换方法，数据处理也更加简单，直观。

Description

一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法

技术领域

本发明涉及材料S参数测量技术领域，具体涉及一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法。

背景技术

S参数是表征材料电磁特性的重要参数，可为微波***的分析提供重要的理论依据。S参数的全称为Scatter参数，即散射参数。S参数描述了传输通道的频域特性，在进行串行链路SI分析的时候，获得通道的准确S参数是一个很重要的环节，通过S参数，我们能看到传输通道的几乎全部特性。信号完整性关注的大部分问题，例如信号的反射，串扰，损耗，都可以从S参数中找到有用的信息。现常用矢量网络分析仪对S参数进行测量，且在被测材料和测试仪器间需引入夹具加以转换。由于***本身和夹具的影响，测试过程中会产生***嵌入误差和夹具嵌入误差。***嵌入误差可通过校准的方法去除，而夹具嵌入误差的去除则较复杂，一直是当前研究的热点。所以需要对夹具进行去嵌入误差分析，这对提高材料S参数的测量精确度有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法，以解决上述背景技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法，该方法包括如下流程步骤：

步骤S110：建立测量过程的信号流程图，分析夹具嵌入误差产生的原因，确定嵌入误差的状态方程；

步骤S120：根据测量过程的信号流程图，通过改变测试样本，构建材料S参数测量***中端口网络的五种状态模型；

步骤S130：建立五种状态模型的夹具S参数状态方程，确定夹具S参数；

步骤S140：将夹具S参数代入所述嵌入误差的状态方程，计算得到待测材料的真实S参数。

优选的，所述步骤S110中，确定的嵌入误差的状态方程为：

其中，Δ_SM＝SM₁₁×SM₂₂-SM₁₂×SM₂₁，SMM₁₁表示整个测量***左端口的反射系数，SMM₂₁表示整个测量***从左端口到右端口的传输系数，SMM₁₂表示整个测量***从右端口到左端口的传输系数，SMM₂₂表示整个测量***右侧的反射系数；

SM₁₁表示被测材料左端口的反射系数，SM₂₁表示被测材料从左端口到右端口的传输系数，SM₁₂表示被测材料从右端口到左端口的传输系数，SM₂₂表示被测材料右端口的反射系数；

SL₁₁表示左夹具左端口的反射系数，SL₂₁表示左夹具从左端口到右端口的传输系数，SL₁₂表示左夹具从右端口到左端口的传输系数，SL₂₂表示左夹具右端口的反射系数；

SR₁₁表示右夹具左端口的反射系数，SR₂₁表示右夹具从左端口到右端口的传输系数，SR₁₂表示右夹具从右端口到左端口的传输系数，SR₂₂表示左夹具右端口的传输系数。

优选的，所述步骤S120中，端口网络的五种状态模型分别为：

状态一：直通模型-左夹具和右夹具直接相连；

状态二：短路模型-校准件中仅包含短路件；

状态三：左侧标准测试件加短路模型；

状态四：右侧标准测试件加短路模型；

状态五：标准测试件模型。

优选的，所述状态一的夹具S参数状态方程为：

状态一中，SMM₁₁、SMM₂₁、SMM₁₂、SMM₂₂分别记为S₁、S₂、S₃、S₄。

优选的，所述状态二的夹具S参数状态方程为：

状态二中，SMM₁₁、SMM₂₂分别记为S₅、S₆。

优选的，所述状态三的夹具S参数状态方程为：

其中，a表示校准件的反射系数，b表示校准件的入射系数；状态三中，SMM₁₁记为S₇。

优选的，所述状态四的夹具S参数状态方程为：

状态四中，SMM₂₂记为S₈。

优选的，所述状态五的夹具S参数状态方程为：

状态五中，SMM₁₁、SMM₂₁、SMM₁₂、SMM₂₂分别记为S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂。

优选的，结合所述信号流程图，利用数据S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁及S₁₂，计算左夹具S参数和右夹具S参数。

本发明有益效果：与传统的基于TRL原理设计嵌入式误差端口网络模型的三种状态相比，基于测试夹具端口网络建模提出了五种状态模型。然后，根据五种状态模型建立状态方程。在双端口级联网络的分析中，直接列出了S参数的相关方程，并没有采用传统的S参数和T参数转换方法，数据处理也更加简单，直观。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的基于去嵌入误差的材料S参数测量流程图。

图2为本发明实施例所述的材料S参数测试***原理框图。

图3为本发明实施例所述的法兰克福同轴装置内被测件安装状态示意图。

图4为本发明实施例所述的测试前的准备工作流程图。

图5为本发明实施例所述的材料S参数测试流程图。

图6为本发明实施例所述的测量过程的信号流程图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法，该方法包括如下流程步骤：

步骤S110：建立测量过程的信号流程图，分析夹具嵌入误差产生的原因，确定嵌入误差的状态方程；

步骤S120：根据测量过程的信号流程图，通过改变测试样本，构建材料S参数测量***中端口网络的五种状态模型；

步骤S130：建立五种状态模型的夹具S参数状态方程，确定夹具S参数；

步骤S140：将夹具S参数代入所述嵌入误差的状态方程，计算得到待测材料的真实S参数。

如图2所示，为本发明实施例中实际测量的测试***图，测试仪器选用E5061BENA矢量网络分析仪，Agilent E5061B是一款ENA系列网络分析仪，可以满足广泛的低频至高频电子元器件和电路测量需求。E5061B现可提供新的5Hz至3GHz频域器件分析标准。法兰同轴装置选用DR-S02屏蔽效能仪。DR-S02平面材料屏蔽效能测试仪核心部件为完全按照ASTM4935标准规定的同轴法兰测试装置(DRS01)，结合精巧结构设计，解决同轴法兰装置测试笨重难操作的问题，同时高精密加工的同轴法兰部件在测试频率范围内具有非常小的驻波比和非常低的***损耗，有效的保证了测试结果的真实性与准确性。

该测试***中，样品放置在法兰同轴装置中，法兰同轴装置通过测试电缆与矢量网络分析仪相连，由该***进行S参数的测试和数据采集工作，测试结果保存到矢量网络分析仪中，由U盘导出数据，从而进行接下来的数据处理工作，包括去嵌入误差计算、材料介电常数和磁导率的计算等其他工作。通过去嵌入误差计算，将得到样品端口面的S参数。将样品端口面的S参数转化为材料的介电常数和磁导率是通过NRW算法实现的，最终得到材料的介电常数和磁导率。

如图3所示，为本发明实施例中法兰克福同轴内置样品图，使用法兰同轴测试夹具和矢量网络分析仪构建的测试***时，测试样品为环形，直径为6138mm。对于像聚四氟乙烯这样的硬质材料，可以通过机械加工制成圆形的测试样品；假如待测材料是粉末状，应该将粉末均匀分散在粘结剂中，然后经再模压成形制作成测试样品。

试样品应为各向同性的均匀媒质。测试***对于样品的制备要求较高：样品表面一定要光滑、平整，没有毛刺和划痕；样品应与同轴夹具的上下表面紧密配合，没有间隙。另外，对于高损耗材料，如吸波材料，样品厚度不能太大，厚度过大易引起传输散射参数S21过小，甚至趋于零，造成测量误差过大，从而无法得到准确的测量结果。通常选取样品厚度为2～5mm。

由于材料样品尺寸较小，并且其加工精度直接影响着电磁参数测试结果，因此，样品的制备是关键一环。为了得到材料尽可能真实的介电常数和磁导率，应在能满足样品加工精度的厂家订做。

如图4、5所示为测试过程准备工作流程图和S参数测试流程图。测试样品的制作，矢量网络分析仪的预热，通过同轴测试电缆连接测试***和测试夹具，校准矢量网络分析仪，采用当前业界最常用的SOLT校准方式。装载样品，将测试夹具闭合进行测试。

测试***的校准是指对测试中使用的矢量网络分析仪E5061B及与之相连的同轴测试电缆、转接头所构成的一套测量***的校准。在使用测量***对待测材料进行测试前，必须进行校准。校准结束后，可以保存校准状态的数据，在不改变测试条件的情况下进行测试时，可以重复使用。

装载待测材料样品前，应仔细检查样品表面是否有微粒附着，若有则应及时清除。装载样品后，将夹具与测试***相连进行测试。

在本发明实施例中，为了确保测量***可以正常运转，减小测试过程的测试误差，获得真实可靠的测量值，按照测试流程进行操作的基础上，需要注意以下方面：

(1)环境温度的控制

矢量网络分析仪的器件及测试电缆对于温度漂移非常敏感，温度漂移主要由测试装置内部互连电缆的热膨胀特性以及微波变频器的变换稳定性引起。通常，提供稳定的环境温度可以将温漂减至最小。因此，在测试过程中，应保持一定的环境温度，一般保持在23℃±2℃。

(2)矢量网络分析仪的预热

在测试开始前，需要将矢量网络分析仪开机预热半小时，用来消除矢量网络分析仪内部仪器的温度漂移对测试结果的影响。

(3)检查夹具及接头

在连接测量***之前，需要检查测试夹具和同轴测试电缆端口，清除可能存在的微粒及灰尘，如果有划痕、变形或金属毛刺应该停止使用。

(4)样品装载及连接***时的注意事项

在将测试样品放入测试夹具之前，应该仔细的检查材料样品的表面是否光滑和平整，若有粉尘应该及时清除。若在测试夹具或材料样品表面上含有水分，应该等水分消失再进行样品的装载。装卸样品时用力要适中，以免材料样品及夹具的内导体同轴部分受到损伤变形。

在进行测试***的连接时，操作人员应该在一个接地的导电桌垫上进行操作，并且佩戴接地的腕带，让所有设备接地，以防止静电造成影响。进行连接时，注意用力不要过大，要保证所有的连接处松紧程度相当。

各器件连接时，应注意连接转动时的方法，只允许转动活动螺母保证插针与插孔作直线移动。否则插针和插孔会发生螺旋运动而加快磨损，以及很可能使内部插针插空松动而无法正常使用。电缆连接头装好后，应仔细检查插针是否位于正中，必要时应设法校正，使其对中，避免损坏待连接的连接器插孔。

在本发明实施例中，构建材料S参数测量***中端口网络的五种状态模型，分别为：状态一：直通模型-左夹具和右夹具直接相连；状态二：短路模型-校准件中仅包含短路件；状态三：左侧标准测试件加短路模型；状态四：右侧标准测试件加短路模型；状态五：标准测试件模型。

五种测试状态需要制作两组校准件，短路校准件和已知参数的标准空气散射校准件。

短路校准件其要求是：

反射系数大小越接近1越好。

已知参数的标准空气散射校准件其要求是：

(1)厚度不大于5mm；

(2)空气部分可用已知参数介质替代，但要求介质均匀，标准件对称性良好。

并设其反射系数为a入射系数为b。

如图6所示，为材料S参数测试***的级联网络信号流程图。根据该流程图，夹具和试验材料的整个S参数状态方程为：

其中，Δ_SM＝SM₁₁×SM₂₂-SM₁₂×SM₂₁，SMM₁₁表示测量材料左端口的反射系数，SMM₂₁表示从测量材料从左端口到右端口的传输系数，SMM₁₂表示从测量材料从右端口到左端口的传输系数，SMM₂₂表示测量材料右侧的反射系数；

SM₁₁表示整个测量***左端口的反射系数，SM₂₁表示整个测量***从左端口到右端口的传输系数，SM₁₂表示整个测量***从右端口到左端口的传输系数，SM₂₂表示整个测量***右端口的反射系数；

SL₁₁表示左夹具左端口的反射系数，SL₂₁表示左夹具从左端口到右端口的传输系数，SL₁₂表示左夹具从右端口到左端口的传输系数，SL₂₂表示左夹具右端口的反射系数；

SR₁₁表示右夹具左端口的反射系数，SR₂₁表示右夹具从左端口到右端口的传输系数，SR₁₂表示右夹具从右端口到左端口的传输系数，SR₂₂表示左夹具右端口的传输系数。

通过以上方程组可以得知，如果知道左右侧夹具的散射参数，就可以解决夹具去嵌入误差问题，这是本发明去嵌入误差的核心。

在本发明实施例中，状态一下的其相关S参数的方程为：

状态中SMM₁₁、SMM₂₁、SMM₁₂、SMM₂₂分别记为S₁、S₂、S₃、S₄。

状态二下的相关S参数的方程为：

状态二中，SMM₁₁、SMM₂₂分别记为S₅、S₆。

状态三下的相关S参数的方程为：

状态三中，SMM₁₁记为S₇。

状态四下的相关S参数的方程为：

状态四中，SMM₂₂记为S₈。

状态五下相关S参数的方程为：

状态五中SMM₁₁、SMM₂₁、SMM₁₂、SMM₂₂分别记S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂。

本发明实施例中，对五种测试状态得到的S₁～S₁₂的数据进行处理，以此来得到测试目标—左右夹具的S参数。其中的公式来自于五个状态下S参数方程组的规范化处理，将S₁～S₁₂依照该流程图进行处理就可以得到夹具的S参数。

对五种测试状态得到的S₁～S₁₂的数据进行处理，得到测试目标—左夹具的S参数具体如下：

E＝AC(S₁₀(a²-b²)+S₂b)+aC²S₁S₁₀-CS₁₀a,

因此，SL₁₁＝AΔ_SL+B,SL₂₂＝CΔ_SL+D。

对五种测试状态得到的S₁～S₁₂的数据进行处理，得到测试目标—右夹具的S参数具体如下：

P＝AC(S₁₁(a²-b²)+S₂b)+aC²S₄S₁₁-CS₁₁a,

因此，SR₁₁＝HΔ_SL+I,SR₂₂＝JΔ_SL+K。

由上可得：

其中，Δ_SL＝SL₁₁×SL₂₂-SL₁₂×SL₂₁，Δ_SR＝SR₁₁×SR₂₂-SR₁₂×SR₂₁，Δ_SL的结果应当使得SL₁₁和SL₂₂的绝对值不大于1，Δ_SR的结果应当使得SR₁₁和SR₂₂的绝对值不大于1。

在得到左右夹具的S参数后再代入到嵌入误差原理的状态方程后就可以得到材料真实的S参数，实现夹具的去嵌入误差。

综上所述，本发明实施例提出的一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法，以便于在材料的S参数测量过程中去夹具嵌入误差，从而准确地测量材料的电磁性能参数。与传统的基于TRL原理设计嵌入式误差端口网络模型的三种状态相比，提出了五种状态模型。然后，根据五种状态模型建立状态方程。在双端口级联网络的分析中，直接列出了S参数的相关方程，并没有采用传统的S参数和T参数转换方法，数据处理也更加简单，直观。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于去嵌入误差的材料S参数测量方法，其特征在于包括如下流程步骤：

步骤S110：建立测量过程的信号流程图，分析夹具嵌入误差产生的原因，确定嵌入误差的状态方程；

步骤S120：根据测量过程的信号流程图，通过改变测试样本，构建材料S参数测量***中端口网络的五种状态模型；

步骤S130：建立五种状态模型的夹具S参数状态方程，确定夹具S参数；

步骤S140：将夹具S参数代入所述嵌入误差的状态方程，计算得到待测材料的真实S参数；

所述步骤S110中，确定的嵌入误差的状态方程为：

其中，Δ_SM＝SM₁₁×SM₂₂-SM₁₂×SM₂₁，

SMM₁₁表示整个测量***左端口的反射系数，SMM₂₁表示整个测量***从左端口到右端口的传输系数，SMM₁₂表示整个测量***从右端口到左端口的传输系数，SMM₂₂表示整个测量***右侧的反射系数；

SM₁₁表示被测材料左端口的反射系数，SM₂₁表示被测材料从左端口到右端口的传输系数，SM₁₂表示被测材料从右端口到左端口的传输系数，SM₂₂表示被测材料右端口的反射系数；

SL₁₁表示左夹具左端口的反射系数，SL₂₁表示左夹具从左端口到右端口的传输系数，SL₁₂表示左夹具从右端口到左端口的传输系数，SL₂₂表示左夹具右端口的反射系数；

SR₁₁表示右夹具左端口的反射系数，SR₂₁表示右夹具从左端口到右端口的传输系数，SR₁₂表示右夹具从右端口到左端口的传输系数，SR₂₂表示右夹具右端口的传输系数；

所述步骤S120中，端口网络的五种状态模型分别为：

状态一：直通模型-左夹具和右夹具直接相连；

状态二：短路模型-校准件中仅包含短路件；

状态三：左侧标准测试件加短路模型；

状态四：右侧标准测试件加短路模型；

状态五：标准测试件模型；

所述状态一的夹具S参数状态方程为：

状态一中，SMM₁₁、SMM₂₁、SMM₁₂、SMM₂₂分别记为S₁、S₂、S₃、S₄；

所述状态二的夹具S参数状态方程为：

状态二中，SMM₁₁、SMM₂₂分别记为S₅、S₆；

所述状态三的夹具S参数状态方程为：

其中，a表示校准件的反射系数，b表示校准件的入射系数；状态三中，SMM₁₁记为S₇；

所述状态四的夹具S参数状态方程为：

状态四中，SMM₂₂记为S₈；

所述状态五的夹具S参数状态方程为：

状态五中，SMM₁₁、SMM₂₁、SMM₁₂、SMM₂₂分别记为S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂；

对S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁及S₁₂的数据进行处理，得到测试目标—左夹具的S参数具体如下：

E＝AC(S₁₀(a²-b²)+S₂b)+aC²S₁S₁₀-CS₁₀a,

因此，SL₁₁＝AΔ_SL+B,SL₂₂＝CΔ_SL+D，

对五种测试状态得到的S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁及S₁₂的数据进行处理，得到测试目标—右夹具的S参数具体如下：

P＝AC(S₁₁(a²-b²)+S₂b)+aC²S₄S₁₁-CS₁₁a,

因此，SR₁₁＝HΔ_SR+I，SR₂₂＝JΔ_SR+K，

由上可得：

其中，Δ_SL＝SL₁₁×SL₂₂-SL₁₂×SL₂₁，Δ_SR＝SR₁₁×SR₂₂-SR₁₂×SR₂₁，Δ_SL的结果应当使得SL₁₁和SL₂₂的绝对值不大于1，Δ_SR的结果应当使得SR₁₁和SR₂₂的绝对值不大于1，

在得到左右夹具的S参数后再代入到嵌入误差原理的状态方程后就可以得到材料真实的S参数，实现夹具的去嵌入误差。

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