《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的材料特性測(cè)量

2019-06-12
關(guān)鍵詞: 存儲(chǔ) 能量

  任何材料都會(huì)對(duì)入射到此材料的電磁波產(chǎn)生影響,例如,部分電磁波能量會(huì)被反射回入射的方向,也有部分可能會(huì)被透射到材料的另外的表面,還有部分電磁波能量會(huì)被消耗在材料中并轉(zhuǎn)換成為其他形式的能量,例如變成熱能。

  不同的材料對(duì)不同頻率和能量的入射電磁波可能會(huì)有不同的特性表現(xiàn)。例如,眼鏡鏡片就是我們用于對(duì)光波(很高頻率的電磁波)進(jìn)行影響的一種材料。一般的視力校正鏡片希望入射的光波能量全部從鏡片的另外一個(gè)表面透射出來(lái),而墨鏡鏡片主要是將入射的光波消耗掉(或反射回入射方向,例如表面金屬鍍膜),不同顏色的墨鏡對(duì)不同頻率(顏色)的光波的透射消耗不同。

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  測(cè)量目標(biāo)

  · 介電常數(shù):是描述材料與電場(chǎng)相互作用的一個(gè)量。一般為復(fù)數(shù),其實(shí)部(ε’)表征外部電場(chǎng)中存儲(chǔ)于材料中的能量,虛部( ε’’)表征外部電場(chǎng)在材料中消耗的能量。對(duì)于不同方向的電場(chǎng),材料的介電常數(shù)可能不同。

  · 磁導(dǎo)率:是描述材料與磁場(chǎng)相互作用的一個(gè)量。一般也為復(fù)數(shù),同樣其實(shí)部(μ’)表征外部磁場(chǎng)中存儲(chǔ)于材料中的能量,虛部( μ’’)表征外部磁場(chǎng)在材料中消耗的能量。有些材料,例如,鐵,鈷等金屬和其合金具有磁滯特性。

  如果知道了材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,我們就可以計(jì)算出電磁波在材料內(nèi)部和兩種不同材料的表面的反射,損耗和透射的特性。

  材料的高頻測(cè)量應(yīng)用

  通過(guò)對(duì)材料的高頻特性測(cè)量直接推算出此材料在高頻應(yīng)用中的表現(xiàn),例如,對(duì)材料的電磁波吸收特性的測(cè)量,我們可以推算出將此材料涂在飛機(jī)表面后飛機(jī)對(duì)雷達(dá)的隱身效果。再例如,對(duì)纖維板材料的高頻特性測(cè)量,可以推斷出此類(lèi)材料是否適于作為電路板。

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  對(duì)材料的高頻特性的測(cè)量的另外的一類(lèi)應(yīng)用,是通過(guò)讀取材料的高頻特性的變化,推斷出材料的某些特性的變化,例如,通過(guò)對(duì)面粉的高頻特性的測(cè)量,可以推斷出面粉的含水率,再例如,對(duì)地面作物對(duì)電磁波反射率的變化,可以推斷出農(nóng)作物的成熟度和收成,這是遙感測(cè)量的基礎(chǔ)。

  高頻材料測(cè)量

  一個(gè)完整的高頻材料測(cè)量系統(tǒng)包括如下部分:

  · 測(cè)量?jī)x表:提供激勵(lì)信號(hào),并拾取被測(cè)材料的響應(yīng)。

  · 測(cè)量夾具:確定被測(cè)材料在電場(chǎng)(磁場(chǎng))中的位置,并提供激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的接口。

  · 測(cè)量軟件:將儀表的顯示結(jié)果(如S參數(shù))轉(zhuǎn)換為介電常數(shù)或磁導(dǎo)率。

  測(cè)量?jī)?nèi)容:

  · 復(fù)介電常數(shù)(Complex Dielectric Constant)

  · 損耗正切(Loss Tangent)

  · 復(fù)導(dǎo)磁率(Complex Permeability)

  · S參數(shù):插入損耗、回波損耗、反射率、輸入阻抗、屏蔽效率

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  材料-夾具-參數(shù)

  不同的材料特性需要不同的材料方法和不同的測(cè)量夾具:

  · 氣體,液體,固體

  · 板狀,塊狀,粉末,切割

  · 方向,多層,鐵電

  對(duì)于不同的測(cè)量夾具,測(cè)量?jī)x表得到不同的測(cè)量參數(shù):

  · 反射(和/或)透射

  · 諧振頻率

  · 電容(感)量

  對(duì)于不同的測(cè)量夾具需要不同的測(cè)量軟件

  測(cè)量方法

  傳輸法

  · 主要包括波導(dǎo)法、同軸線法、帶狀線傳輸法、自由空間法、傳輸線終端加載法

  · 主要優(yōu)點(diǎn):測(cè)試頻帶寬,可測(cè)試電磁參數(shù),適于高損耗材料的測(cè)試

  · 主要缺點(diǎn):對(duì)低損耗材料的損耗測(cè)試誤差較大

  諧振法

  · 主要包括高Q 腔法、矩形腔法、微帶諧振器法、帶狀線諧振器法、超導(dǎo)腔法、介質(zhì)諧振器法、諧振腔微擾法等。

  · 諧振法是通過(guò)測(cè)試諧振腔(器)的諧振頻率和固有品質(zhì)因數(shù),從而計(jì)算出介質(zhì)材料的微波復(fù)介電常數(shù)

  · 主要優(yōu)點(diǎn):測(cè)試準(zhǔn)確度高,特別適合于低損耗材料的測(cè)試.

  · 主要缺點(diǎn):測(cè)試頻帶窄,不能同時(shí)測(cè)試電磁參數(shù)

  傳輸法

  傳輸法是將被測(cè)材料置入測(cè)試裝置中,將其作為雙口網(wǎng)絡(luò),測(cè)量此雙口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù),從而推算出微波的材料參數(shù)。

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  也可將被測(cè)材料將被測(cè)材料置入傳輸線終端作為單口網(wǎng)絡(luò),將被測(cè)樣品加工成可嵌入波導(dǎo)或同軸線內(nèi)填滿(mǎn)終端,然后終端用金屬片短路,對(duì)較大面積的片狀介質(zhì)材料放置在同軸或波導(dǎo)端口外進(jìn)行測(cè)量。這樣就構(gòu)成了傳輸線終端加載法。利用傳輸線入射的波經(jīng)被測(cè)介質(zhì)反射后對(duì)復(fù)反射系數(shù)Γ進(jìn)行檢測(cè),可推算出被測(cè)材料的復(fù)介電常數(shù)。可進(jìn)行無(wú)損測(cè)量。

  自由空間測(cè)試法屬于開(kāi)場(chǎng)測(cè)量方法,因?yàn)樗捎玫碾姶挪榫€極化平面波,所以可對(duì)材料進(jìn)行取向測(cè)試,可實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)的寬頻帶測(cè)量,在某些場(chǎng)合可完成非損傷測(cè)試。

  主要優(yōu)點(diǎn):測(cè)試頻帶寬,可測(cè)試電磁參數(shù),適于高損耗材料的測(cè)試

  主要缺點(diǎn):對(duì)低損耗材料的損耗測(cè)試誤差較大


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