材料微波介電常數(shù)和磁導(dǎo)率測量(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上材料微波介電常數(shù)和磁導(dǎo)率測量摘要：材料的微波介電常數(shù)和磁導(dǎo)率決定了材料對于微波波段電磁波的吸波能力，是材料重要的物理性質(zhì)。本文使用微波開短路方法測量了材料的微波介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。關(guān)鍵詞：微波介電常數(shù)；磁導(dǎo)率；同軸系統(tǒng)1. 引言 隱身技術(shù)是通過控制、降低目標(biāo)的可探測信號特征，使其不易被微波、紅外、可見光、聲波等各種探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)、跟蹤、定位的綜合技術(shù)。其中，微波隱身（或稱雷達(dá)波隱身）的研究早在20世紀(jì)30年代就開始了?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成集形狀隱身、材料隱身等一體的高度復(fù)雜的技術(shù)，并已應(yīng)用到導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、裝甲車輛、重要軍事設(shè)施等許多武器裝備上。雷達(dá)隱身技術(shù)中，最簡單的一種是

2、涂覆型隱身技術(shù)。它是將吸收材料直接以一定的厚度涂覆在外殼以降低對微波的反射，減小雷達(dá)探測截面，提高隱身能力。2. 實驗?zāi)康?1. 了解和掌握微波開路和短路的含意和實現(xiàn)方法。 2. 掌握測量材料微波介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的原理和方法 。3. 了解微波測試系統(tǒng)元部件的作用。3.實驗原理 對于涂覆在金屬平板（假定其為理想導(dǎo)體，下同）表面的單層吸波材料，空氣浴涂層界面出的輸入阻抗為： Z=Z0th(d) （1）其中Z000=377是自由空間波粗口，是電磁波在涂層中的傳播常數(shù)，d是吸波涂層厚度，分別為涂層的相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù)。當(dāng)電磁波有空氣向涂

3、層垂直入射式，在界面上的反射系數(shù)為：=Z-Z0Z+Z0 （2）以分貝（dB）表示的功率反射率為：R=20lg （3）對于多層涂覆，電磁波垂直入射到第n層是，其輸入阻抗為：Zn=nZn-1+nth(ndn)nn+Zn-1th(ndn) （4）其中，n=(n'-jn'')/(n'-jn'')是第n層的特性阻抗，n=jc(n'-jn'')/(n'-jn'')是第n層的傳播常數(shù)，dn為第n層的厚度，Zn-1為第n-1層入射面的輸入阻抗。理想導(dǎo)體平板的輸入阻抗為0，最外層的輸入阻抗可以通過迭代法得出，從而由公

4、式（2）和公式（3）得到反射率。由此可見，無論是單層涂覆還是多層涂覆，測出各層材料的復(fù)介電常數(shù)r和復(fù)磁導(dǎo)率r及其與頻率的關(guān)系是設(shè)計隱身涂層的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)分析儀今年已較多地用于測量材料微波波段的r，r，但其價格較高。我們在此介紹一種基于測量線的波導(dǎo)測量裝置，用其測出開路，短路二點阻抗，推算出r和r。圖1是該裝置的示意圖。圖1 一種基于測量線的波導(dǎo)測量裝置在微波測量中，是通過駐波的測量來得到阻抗。對圖1所示的測量裝置，可以用如圖2所示的傳輸線模型進(jìn)行分析。圖2 傳輸線模型以ez表示入射波，e-z表示反射波，=+j為傳播常數(shù)，入射波電壓振幅與電流振幅之比為+Zc，反射波此比值為-Zc，坐標(biāo)為z點的電壓

5、復(fù)振幅與電流復(fù)振幅之比稱為該店輸入阻抗，簡稱該點阻抗Z(z)，即：Zz=U(z)I(z)=Zcez+Le-zez-Le-z=ZcZL+ZcthzZc+ZLthz （5）其中，L是負(fù)載上的電壓反射系數(shù)，可以推得：L=ZL-ZcZc+ZL=LejL （6）坐標(biāo)為z點的電壓反射系數(shù):z=Ur(z)Ui(z)=UrLe+zUiLe-z=Le-2z=Le-2ze-j(L-2z)=Lej(z) （7）其中(z)=Le-2z，z-L=2z，于是從（5）式又推得：Zz=ZC1+L(z)1-L(z) （8）當(dāng)線上有兩點z1和z2，z1-z2=l，兩點阻抗分別為Z1，Z2，則：Z2=ZCZ1+ZCthlZC+ZC

6、thl （9）定義駐波最大點與最小點電壓之比為電壓駐波比：=ezmaxezmin*1+(zmax)1-(zmin) （10）在圖1所示測量裝置上，當(dāng)終端短路時，即ZL=0，由（5）式知，樣品輸入端面向終端的等效阻抗為：Z1短=ZC介質(zhì)thl介質(zhì) （11）Z1也是空氣波導(dǎo)的負(fù)載阻抗，其中ZC介質(zhì)是介質(zhì)波導(dǎo)的特性阻抗，l介質(zhì)是測量樣品的厚度。當(dāng)終端接上四分之一波導(dǎo)波長長度的短路線時，根據(jù)（5）式，從B端向右看B處的阻抗為：ZB=ZCZL+jZCtan(kgg/4)Zc+jZLtan(kgg/4)此時ZL=0，kg=2g，因此ZB=ZCtan2，B端等效開路。于是，由（5）式知，樣品輸入端面向終端的

7、等效阻抗為：Z1開=ZC介質(zhì)thl介質(zhì) （12）同時，由（5）式知，在距離樣品輸入端面D的駐波最小點處阻抗是：ZD=ZCZ1+jZCtan(kgD)Zc+jZLtan(kgD)由此得：Z1=ZC1-jZCZDtan(kgD)ZCZD-jtan(kgD)由（8）式得：ZCZ(D)=1-(D)1+(D)=1-ej1+ej在駐波最小點ej=ej(2n+1)=-1，所以ZCZ(D)=1+1-=由此得：Z1ZC=1-jtan(kgD)-jtan(kgD) （13）可見測出駐波比即可得Z1ZC。對于柱狀波導(dǎo)中的TE波，ZC=j，因此介質(zhì)波導(dǎo)的ZC介質(zhì)=j0r，空氣波導(dǎo)的ZC0kg，因此，r=-jg2ZC介

8、質(zhì)ZC （14）由（11）式和（12）式得：ZC介質(zhì)ZC=Z1短ZC*Z1開ZC （15）=1l介質(zhì)arcthZ1短/ZCZ1開/ZC （16）分別測出終端短路和等效開路兩種狀態(tài)的駐波比，綜合（13）（14）（15）（16）式即可得到r值。在介質(zhì)波導(dǎo)中，kc2=2+2=k02rr+2因此，r=kc2-2k02r=(02)2(2c)2-2r （17）其中0為自由空間波長，c為波導(dǎo)截止波長。從以上分析顯而易見這種開路、短路兩點法測量比較簡便，可以同時的到r和r，且不需解超越方程。4.實驗儀器 測試系統(tǒng)如圖3所示，用微波源的等幅波，外調(diào)制用1KHz的方波，以提高穩(wěn)定度和測量精度。圖3 實驗系統(tǒng)示意框

9、圖5.實驗內(nèi)容 1. 調(diào)節(jié)微波測試系統(tǒng)，選擇好工作頻率，測試系統(tǒng)處于穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)（極化衰減器置于0.5dB）。 2. 測量待測材料厚度和波導(dǎo)板厚度。 3. 參考點位置的測量，測量線終端短路，用等指示法測得終端短路時最小點的位置作為參考點d。測量波導(dǎo)波長，與頻率計劃的頻率計算出的波導(dǎo)波長比較誤差。 4. 短路測量材料參數(shù)。將材料片和短路板接入測量線的輸出端，用等指示法測得最小點的位置和最小點的藕合電壓放大值，用精密衰減器，用替代法測得電壓最大值和最小值之間的替代分貝數(shù)。 5. 開路測量材料參數(shù)。將可調(diào)

10、短路活塞置于𝜆𝑔/4的位置使活塞波導(dǎo)口呈開路狀態(tài)，與材料一片并接入測量線的輸出端，與上相同測量開路狀態(tài)下駐波最小點的位置，最小點位置上耦合電壓的放大值與最大值的替代量。 6. 用測得的數(shù)據(jù)輸入程序計算出r和r 。7. 改變微波頻率f，測量r和r與頻率f的關(guān)系。6.實驗數(shù)據(jù)及處理 1.基本參量參量材料厚度/mm波導(dǎo)管長度/mm微波頻率/GHz測量值1.9022.609.002.對于波導(dǎo)波長g的測量駐波節(jié)點數(shù)12距離/mm125.90150.80從而可以求的波導(dǎo)波長g=49.80mm。3.開短路測量參數(shù) 短路狀態(tài)：最大值最小值D/mm電壓讀數(shù)548144126.36分貝數(shù)4050開路狀態(tài)：最大值最小值D/mm電壓讀數(shù)362450126.94分貝數(shù)4060從而可分別求得其駐波比為38.06及80.44。綜上，利用（13）（17）式，即可求得材料的微波介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為：r=-1.6661-1.88451r=9.5873+9.05347.思考題 1. 本實驗測得材料的和其主要誤差來源是什么？答：1.微波信號源輸出的信號不完全穩(wěn)定。2.由于實驗中的駐