专利名称：一种建筑材料介电常数的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种参数测量方法，尤其是一种建筑材料介电常数的测量方法。
背景技术：
通常建筑物的墙壁由石膏板，内含金属丝的强化玻璃窗口和木制门构成，这些材料是建筑物中是很常见的。为得到正确的仿真结果，这些材料的介电常数应当首先被确定，当前还没有方法能较准确的测量这些材料的介电常数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种建筑材料介电常数的测量方法，能够准确、方便地测量建筑材料的介电常数。
为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案包括一种建筑材料介电常数的测量方法，包括以下步骤步骤A利用测试系统测量待测建筑材料的传输系数；步骤B利用测试系统测量待测材料的反射系数；步骤C将测量结果通过离散傅立叶逆变换变换到时域，利用时间栅技术除去来自环境的影响，将测量结果利用快速傅立叶变换转换到频域；步骤D利用获得的传输系数和反射系数计算出介电常数。
所述测试系统包括频率扫描功能的矢量网络分析仪、接收机和发射机，矢量网络分析仪提供无线信道中的频率响应，所述发射机天线和接收机的天线包括定向性天线和全向性天线。
所述步骤A进一步包括步骤a10在接收机和发射机之间设一木门，利用接收机和发射机测试待测材料传输系数的参考基准，其中木门在测量期间是开着的；步骤a20保持发射机天线和接收机天线的位置无变化，关上门再次测量获得测量结果，其中，电波穿透木门；步骤a30测量的结果和参考基准相除得到待测材料的传输系数。
所述步骤B进一步包括步骤b10保持发射机和接收机天线之间的距离，在发射机和接收机设有金属板，将金属片贴在待测材料的表面，将获得的复频率响应记录作为参考基准；步骤b20移动天线和它们中间的金属片到待测材料的前面，保持它们之间的距离不变，再次测量获得反射测试结果；步骤b30通过反射测量结果与来自金属片反射的参考基准计算得到待测材料的反射系数。
所述介电常数的振幅可以由与传输系数和反射系数相关的折射公式得到，所述公式为R=cosθi-n*cosθtcosθi+n*cosθt,]]>T=2cosθicosθi+n*cosθt.]]>其中R为反射系数，T为传输系数，n等于 ，θi为入射角，θt为透射角。
所述建筑材料包括强化玻璃、石膏板和木门。
所述测试系统是在频为5.8GHz下进行的测量。
所述步骤D包括利用RPS进行仿真模拟得到介电常数本发明的有益技术效果是利用本发明的建筑材料介电常数的测量方法，可以准确、方便的获得建筑材料介电常数。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1表示本发明的本发明的介电常数测量方法的流程图；图2a及图2b分别表示定向性天线在E平面和H平面的方向图；图3a及图3b分别表示全向性天线在E平面和H平面的方向图；图4表示内含金属丝的强化玻璃的结构示意图；图5表示本发明的测试待测材料传输系数的测量示意图；图6表示本发明的测量待测材料的反射系数的测量示意图；图7表示在2GHz带宽中仿真结果示意图；图8表示一种窗户结构示意图；图9表示时间栅宽度是5ns频域示意图；图10表示时间栅宽度是10ns频域示意图；图11表示金属片反射的相位结果示意图；图12表示强化玻璃反射系数测试在频域和时域内的测量结果；图13表示强化玻璃反射系数通过时间栅处理和FFT的结果示意图；
图14表示强化玻璃传输系数在频域内的测量结果示意图；图15表示强化玻璃传输系数经过时间栅处理以后的示意图；图16表示强化玻璃传输系数及传输系数理论计算的结果示意图；图17表示木制门传输系数测试在频域和时域内的测量结果示意图；图18表示木制门传输系数经过时间栅处理以后的示意图；图19表示木制门反射系数的测量结果示意图；图20表示石膏板传输系数的测量结果示意图；图21表示石膏板反射系数的测量结果示意图。
具体实施例方式
请参阅图1，为本发明介电常数测量方法的流程图，该方法包括以下步骤步骤100利用测试系统测量待测材料的传输系数；测量系统是一个由具有频率扫描功能的矢量网络分析仪(VNA)为基础构成的，矢量网络分析仪提供无线信道中的复杂的频率响应，其频率扫描的带宽是200MHz，1601个等间距步长。测量系统包括接收机Rx和发射机Tx，该发射机天线和接收机采用两种天线一种天线是定向性天线，例如由Hubber+Subber公司生产的有18dB增益定向性天线，该天线在E平面和H平面的方向图如图2a及图2b所示；另一种天线是全向性天线，例如由飞利浦研发中心生产的全向性天线，该天线在E平面和H平面中的结构与方向图如图3a及图3b所示。对全向性天线来讲没有准确测量的天线方向图，方向图由矩量法(MOM方法)计算得到的。
待测材料包括内含金属丝的强化玻璃、石膏板和木门。内含金属丝的强化玻璃如图4所示，在玻璃中央有钢丝网，网格的边长是13mm，钢丝直径1mm，内含金属丝的强化玻璃厚5mm。石膏板的厚度是10公分。它是墙壁的主要构成部分。它分布在房间的下面地区(1)实验室从地板到1公尺高的周围区域；(2)窗口的间隔部分；(3)在窗口上面和天花板下面的区域。在实验室旁边的邻居房间中，石膏板也有相似分布的结构。在测试实验室中有四扇木制的门，它们中的二个总是关闭的，而其他的总是开着的，门的厚度是5公分，每个门由左右两扇组成。
要得到传输系数待测材料的传输系数，首先要得到待测材料传输系数的参考基准。为了得到传输系数的参考基准，保持接收机和发射机之间有4公尺的距离，接收机和发射机之之间设有一2.5m×2m的木门，门在测量期间是开着的(LOS)，此时电波穿透空气而非木制门，发射机天线和接收机天线有相同的高度而且视线刚好经过门的中心，测量结果作为待测材料的参考基准。
在得到参考基准之后，执行下列各项测量，测量示意图如图5所示；(1)保持发射机天线和接收机天线的位置无变化，关上门再次测量(NLOS)，此时电波穿透木制门。
(2)移动发射机天线和接收机天线的位置使两者之间有石膏板，保持发射机天线和接收机天线的距离不变，再次进行测量。
(3)移动发射机天线和接收机天线的位置使两者之间有强化玻璃，保持发射机天线和接收机天线的距离不变，再次进行测量。
以上三种测量的结果和参考基准相除就可以分别得到木制门、石膏板、强化玻璃的传输系数。
步骤200利用测试系统测量待测材料的反射系数，测量示意图如图6所示；首先要得到待测材料传输系数的参考基准，待测材料传输系数的参考基准由来自金属板的反射得到。将收发天线搬到墙壁相同的一边，发射机和接收机天线之间保持0.4公尺的距离，中间有一个0.6m×1m的金属板以避免无线电波直接来自发射机，另一个0.6m×1m的金属片贴在强化玻璃的表面。发射机天线和接收机天线都对准强化玻璃上的金属片的中心，此时将获得的复频率响应记录作为参考基准。
在得到参考基准之后，下列各项测量被执行。
(1)使天线的位置及其间的金属板固定不变，移去强化玻璃表面的金属片，测量来自强化玻璃的反射；(2)移动天线和它们中间的金属片到石膏板的前面，保持它们之间的距离不变，再次测量；(3)移动天线和它们中间的金属片到在关着的门的前面，保持它们之间的距离不变，再次测量；反射系数由反射测量结果与来自金属片反射的参考基准计算得到。
步骤300将测量结果通过IDFT(离散傅立叶逆变换)变换到时域，利用时间栅技术除去来自环境的影响；
为了要除去来自环境的影响，首先，在频域中的测量结果应该通过IDFT(离散傅立叶逆变换)变换到时域，相应的时间分辨率是5ns(1/带宽＝/200MHz＝5ns)。
依照时间栅技术，为了除去环境的影响，时间分辨率应该足够高，但是高的时间分辨率需要宽的频带宽度。例如，时间分辨率若是1ns，相对的带宽＝1/1ns＝1GHz。当带宽非常宽的时候另一个问题产生了，因反射系数和传输系数依赖频率变化而变化，系数在带宽中变化很大。从Dr.S.Savor[16]提供的仿真结果来看，该变化在2GHz带宽中是明显的，仿真结果如图7所示。因此时间分辨率不能太高，选择5ns。
时间栅是一种时间滤除技术，其可以在DUT(Device-Under-Test)的特定位置测量频率响应。一种方法是DUT在时域里通过窗口观察可探到的测信号。它把窗口时间内到达的脉冲和窗口时间外到达的脉冲分离出来；直射波到达所花费的时间最短；而经周围环境多次反射的脉冲到达所花费的时间较长，当它们到达时间差大于窗口时间宽度时，就可以实现分离，而把经周围环境多次反射的脉冲丢弃，从而消除周围环境的部分影响。另一种方法是在频域里进行测量，通过逆FFT(快速傅立叶变换)转换到时域，然后进行窗口处理。处理后的数据通过FFT变换到频域，这样可以在频率响应中滤除不期望的脉冲信号。
我们所期望的脉冲由于它直接来自发射机所以具有最短的传输路径，其他来自环境反射和衍射的脉冲与直接脉冲相比具有更长的传输路径，花费更长的时间到达接收机。按照测量的时间分辨率门宽度是5ns，若传输时间差比5ns短，时间分辨率的影响就不能忽略。也就是说，如果传输路径长度差比‘最小路径长度差’小，影响就不能被除去。
最小路径长度差＝5ns×光速＝1.5米以测量强化玻璃为例，玻璃被安装在金属窗框架内，来自窗框架的衍射影响就不能被时间栅分离。图8显示一种窗户结构，直射波和窗架的衍射波传输路径差比最小路径长度差大，所以它们不能被分离出来。
值得说明的是来自天花板和地板的影响可以消除，因为它们的传播路径差大于最小路径长度差，所以影响就能被除去。
步骤400将测量结果利用快速傅立叶变换转换到频域；
经过时间栅处理之后，结果利用FFT变换到频域，不同的时间栅宽度得到的不同结果，图9和图10分别给出时间栅宽度是5ns和15ns的结果。当时间栅的宽度是5ns的时候，结果是平缓的而且符合仿真结果。当时间栅的宽度是15ns的时候，结果不是平缓的而且不符合仿真结果，一些传输系数的值甚至大于0。
步骤500利用获得的传输系数和反射系数计算出介电常数。
由于在仿真计算时需要复介电常数，所以从传输系数和反射系数中得到复介电常数是很必要的。介电常数的振幅可以由与传输系数和反射系数相关的折射公式得到。
在测量中，天线是垂直极化的，所以反射系数R和传输系数T可表示为R=cosθi-n*cosθtcosθt+n*cosθt,]]>T=2cosθicosθi+n*cosθt.]]>这里n=ϵr]]>θi入射角。θt透射角。
从公式中，我们可以得到介电常数的幅度。然而，很难得到其相位，这是由于相位的结果不足够准确。图11显示金属片反射的相位结果。相位在频率域里周期性变化。实际上相位和发射机和接收机之间的距离有很大的关系。在我们的测量中，不可能得到严格意义上准确的距离。在传输测量中，即使得到准确的距离，相位也会有误差，这是由于参考基准测量时的传播路径电长度，当插入被测介质时发生了变化。所以很难从实测的反射系数和传输系数中得到复介电常数εrϵr=ϵ′+j*ϵ′′=ϵ′+j*δωϵ0]]>从传输和反射系数中得到介电常数的一种可行方法是利用三维射线跟踪进行仿真模拟。变化介电常数包括实部和虚部两部分，分别计算反射和传输系数直至与测量系数一致。
以下是通过本方法获得的测量结果对于内含金属丝的强化玻璃，其反射系数测试在频域和时域内的测量结果如图12所示，左边的图是频域中的结果；右边的图是通过IDFT得到的时域结果。图13是通过时间栅处理和FFT的结果。从图13可以看出，反射系数是-9.93dB。
对于两块强化玻璃，其传输系数在频域内的测量结果如图14所示。图15为经过时间栅处理以后的示意图，传输系数分别为第一块玻璃-0.7316dB；第二块玻璃-0.7391dB，理论计算的结果是-0.735dB。它们互相吻合。
理论计算的传输系数是-9.5dB，测量的传输系数是-9.93dB，它们相吻合，理论计算的结果如图16所示。
对于木制门，其传输系数测试在频域和时域内的测量结果如图17所示，图18为经过时间栅处理以后的示意图，反射系数的测量结果如图19所示。在图17和18中，下面的曲线表示视线通过门中心的接收功率，上面的表示视线通过左扇门中心的。因为门由左右两扇组成，左右两扇分别是纯木制的，而在整个门的中心有一个金属带，所以下面曲线是不稳定的。在经过时间栅前后，值分别是-4.491dB和-4.726dB。我们选择视线通过左扇门中心时的测量结果。
对于石膏板，其传输和反射系数分别为-2.22dB和-9.45dB，其分别为图20和21所示。
最终介电常数的测量结果由下面的表格给出。
权利要求
1.一种建筑材料介电常数的测量方法，包括以下步骤步骤A利用测试系统测量待测建筑材料的传输系数；步骤B利用测试系统测量待测材料的反射系数；步骤C将测量结果通过离散傅立叶逆变换变换到时域，利用时间栅技术除去来自环境的影响，将测量结果利用快速傅立叶变换转换到频域；步骤D利用获得的传输系数和反射系数计算出介电常数。
2.如权利要求1所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述测试系统包括频率扫描功能的矢量网络分析仪、接收机和发射机，矢量网络分析仪提供无线信道中的频率响应，所述发射机天线和接收机的天线包括定向性天线和全向性天线。
3.如权利要求1或2所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述步骤A进一步包括步骤a10在接收机和发射机之间设一木门，利用接收机和发射机测试待测材料传输系数的参考基准，其中木门在测量期间是开着的；步骤a20保持发射机天线和接收机天线的位置无变化，关上门再次测量获得测量结果，其中，电波穿透木门；步骤a30测量的结果和参考基准相除得到待测材料的传输系数。
4.如权利要求1或2所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述步骤B进一步包括步骤b10保持发射机和接收机天线之间的距离，在发射机和接收机设有金属板，将金属片贴在待测材料的表面，将获得的复频率响应记录作为参考基准；步骤b20移动天线和它们中间的金属片到待测材料的前面，保持它们之间的距离不变，再次测量获得反射测试结果；步骤b30通过反射测量结果与来自金属片反射的参考基准计算得到待测材料的反射系数。
5.如权利要求1或2所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述介电常数的振幅可以由与传输系数和反射系数相关的折射公式得到，所述公式为R=cosθi-n*cosθtcosθi+n*cosθt,]]>T=2cosθicosθi+n*cosθi.]]>其中R为反射系数，T为传输系数，n等于 θi为入射角，θt为透射角。
6.如权利要求1或2所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述建筑材料包括强化玻璃、石膏板和木门。
7.如权利要求1或2所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述测试系统是在频为5.8GHz下进行的测量。
8.如权利要求1或2所述的建筑材料介电常数的测量方法，其特征在于所述步骤D包括利用RPS进行仿真模拟得到介电常数。
全文摘要
本发明公开了一种建筑材料介电常数的测量方法，包括以下步骤步骤A利用测试系统测量待测建筑材料的传输系数；步骤B利用测试系统测量待测材料的反射系数；步骤C将测量结果通过离散傅立叶逆变换变换到时域，利用时间栅技术除去来自环境的影响，将测量结果利用快速傅立叶变换转换到频域；步骤D利用获得的传输系数和反射系数计算出介电常数。本发明能够准确、方便地测量建筑材料的介电常数。
文档编号G01R27/26GK101017186SQ20061015697
公开日2007年8月15日 申请日期2006年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者李超峰 申请人:李超峰