一种自由空间传输反射校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波测试技术领域，特别涉及一种基于双反射板校准件的自由空间传 输反射校准方法。
【背景技术】
[0002] 随着微波技术的飞速发展，航空、航天、通讯技术与信息技术等高科技领域对天 线、微波元器件的要求也随之提高，使得微波/毫米波材料在这些领域中起到了越来越重 要的作用。材料的电磁参数是其基本特性，各种微波/毫米波器件及设备的性能是否达标 与材料的电磁参数有重要关系，因此在器件研发过程中首先要确定所使用材料的电磁特 性，也就需要对所用材料进行相关测试。
[0003]目前常用的材料电磁参数测试方法有传输线法、自由空间法、谐振腔法以及单探 头反射法，其中自由空间法是利用收发天线发射微波/毫米波信号照射测试样品，测量其 反射传输参数，反演得到材料电磁参数。自由空间材料测试技术对材料制备要求低，只需要 制备满足一定厚度有一定面积的平整材料，无需进行精密切割加工，适合非破坏性测试，且 可方便进行高低温测试，更适应于加工难度较高的毫米波测试。
[0004] 自由空间的反射传输参数测试必须进行全二端口校准，目前普遍采用直通反射传 输（TRL)校准方法，其中传输测试需要在两校准端口间插入一段已知传输线，在自由空间 材料测试系统中需要通过移动收/发天线达到此目的，因此需要较为精密的机械夹具，在 毫米波频段对夹具精度要求更高；另外一种基于时域门的GRL校准方法，可避免移动天 线，但是必须在一定频段内测量足够的点数才能进行时域处理，而且时域门的位置及宽度 均会影响校准结果。
[0005] 如图1所示，自由空间材料测试系统主要测试仪器为矢量网络分析仪，两端口分 别连接两天线（常用点聚焦天线），天线间放置平板状待测材料，矢量网络分析仪可通过 GPIB或LAN总线由主控计算机控制进行数据采集并进行电磁参数反演。
[0006] 进行材料电磁参数测试要获取传输/反射系统的S参数，必须在进行测试之前对 整体系统进行校准，即针对待测材料进行两端口网络校准，以消除矢量网络分析仪内部以 及收发天线的误差，得到微波信号透过被测材料组成的双端口网络的真实S参数，进而反 演得到材料电磁参数。
[0007] 根据矢量网络分析仪原理，建立12项误差模型，如图2所示，矢量网络分析仪的校 准就是通过对校准件的测量，求解系统误差项，进行被测件测量时就可通过误差项和测量 值得到真实的S参数。基于同轴或波导的传输/反射法进行材料测试时，采用的是传统的 传输线，因此只需要利用传统的SOLT法（即短路器、开路器、匹配负载、直通法）就可进行 系统校准，但在自由空间中开路器及匹配负载这类校准件难以实现，所以无法进行校准。
[0008] 另一种常用的方法校准方法是TRL法（即直通、反射、传输法），可应用到自由空间 校准中，直通测量即不加入任何材料，反射测量可用标准反射板实现，而传输测量则需要移 动收发天线实现，最佳传输线标准为中心波长的1/4。其校准步骤为：
[0009] 将两天线按一定间距（聚焦天线间距调为2倍焦距）对正放置，矢量网络分析仪 进行直通测量；
[0010] 在两天线中间位置放置短路板校准件，对矢量网络分析仪分别进行两端口反射测 量；
[0011] 移除短路板，将两聚焦天线间距增加约1/4中心波长，矢量网络分析仪进行传输 测量；
[0012] 完成校准后，矢量网络分析仪将通过自带校准程序进行误差项计算，再进行被测 件测量时将通过计算得到真实S参数。
[0013] 还有一种基于时域门技术的校准方法，是在矢量网络分析仪校准基础上建立包含 收发天线与待测材料的误差模型，如图3所示，仅利用反射及直通校准件即可完成校准，其 校准步骤与上述TRL的前两步相同，但不需要第三步测量，为建立足够的方程求解位置误 差项，此校准方法通过对直通测量的一个频带上的数据进行时域变换，然后在发射天线的 反射的时域位置加入时域门用来直接提取方向性误差项，之后再利用直通与反射数据推算 出其他误差项完成校准。
[0014] 通过分析国内外参考文献和类似技术，自由空间材料测试系统的校准主要采用 TRL校准方法及自由空间时域门校准方法。
[0015] TRL校准过程中需要移动收发天线来模拟传输校准件，位移量为1/4中心波长，因 此需要较为精密的机械夹具调整收发天线的距离，而且频率越高对精度要求越高，移动操 作也更为困难。
[0016] 在自由空间门校准方法中需要将频域数据变换至时域数据然后加门处理，其计算 更为复杂，而且测试必须有一定的带宽，并对测试点数有要求，即必须大于1+R*(F0-Fa)，（R 为时域范围，Fo为终止频率，Fa为起始频率），否则无法进行满足要求的时域变换，另外时 域门的位置，宽度等参数均对误差项的提取有影响，也因此增加了校准结果的不确定性。
【发明内容】
[0017]本发明的目的在于提供一种基于双反射板校准件的自由空间传输反射校准方法， 以解决材料电磁参数测试系统校准过程中对高精度机械夹具的依赖问题并且能够避免复 杂的时域变换。
[0018] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0019] -种自由空间传输反射校准方法，基于一自由空间材料测试系统，所述自由空间 材料测试系统包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪两端口分别连接两天线，包括以下步 骤：
[0020] 步骤（1)，在未连接收发天线的情况下对矢量网络分析仪进行校准；
[0021] 步骤（2)，连接收发天线，在两天线中间放置厚度为dl的标准反射板1，利用矢量 网络分析仪测得和M、
[0022] 步骤（3)，将反射板1替换为厚度为d2的标准反射板2,反射板2放置时与端口I 或端口 2天线的距离与反射板1相同，利用矢量网络分析仪测得；
[0023]步骤（4)，移除标准反射板进行直通测量，利用矢量网络分析仪测得^iriw、 ^22M^ ^2\M^；
[0024]步骤（5)，求解方程组得到误差项En、Et2、Eki、Ek2、Edi、Ed2、Esi、Es2、Exi、Ex2;
[0025] 步骤（6)，放置待测材料，利用矢量网络分析仪测得S11M、S21M、S12M、S22M;
[0026] 步骤（7)，通过测量数据计算真实的S参数Sn、S21、S12、S22，完成校准。
[0027] 可选地，所述步骤（1)具体为：在未连接收发天线的情况下对矢量网络分析仪进 行校准，校准后系统误差仅为自由空间误差源，建立自由空间误差项模型，EX1、Ex2为隔离度 误差项，Edi、Ed2为方向性误差，ES1、Es2为源失配误差，ET1、Et2、Eki、Ek2为传输及反射跟踪误 差，其中，Eti -ER1，Et2 -ER2，Exi -EX2 〇
[0028] 可选地，所述步骤（2)具体为：连接收发天线，在两天线中间放置厚度为dl的标准 反射板1，其理想反射为-1，S11=S22= -1，S21=S12= 0,端口 1以及端口 2测量值与误差 项的关系为：
[0033]可选地，所述步骤（3)具体为：将反射板1替换为厚度为d2的标准反射板2,其大 小与反射板1相同，若反射板2放置时到端口 1天线的距离与反射板1到端口 1天线的距 离相同，S11=-1，S21=S12= 0,端口 1反射公式与（1)式相同，根据自由空间波传播原理 S22=f2州〇=^，则端口 2反射公式为：
[0035] 若反射板2到端口2天线的距离与反射板1到端口2天线的距离相同，则可得端 口 1反射公式和L;
[0036] 利用矢量网络分析仪测得。
[0037] 可选地，所述步骤（4)具体为：移除标准反射板进行直通测量，S11=S22= 0,S21 = S12=Jkd=A，其中k为自由空间中波数，推导可得：
[0041] 利用矢量网络分析仪测得。
[0042] 可选地，所述步骤（5)具体为：求解（1)-(7)式组成的方程组，得到误差项ET1、ET2、 Eri'Er2NEd1NEd2NEslNEg2NExlNEx2O
[0043] 可选地，得到误差项之后，推导出真实值与测量值之间的关系如下：
[0050]步骤（6)，放置待测材料，利用矢量网络分析仪测得S11M、S21M、S12M、S22m;
[0051] 步骤（7)，利用（8)-(12)式通过测量数据计算真实的S参数Sn、S21、S12、S22，完成 校准。
[0052] 本发明的有益效果是：
[0053] (1)所需设备简化：不必采用高精度夹具放置收发天线，只需固定即可，校准件简 单易制作，仅需两块不同厚度的金属板；
[0054] (2)操作简便：校准过程中不用移动收发天线，不必添加时域门；
[0055] (3)误差项考虑全面：加入了隔离度误差项，更为接近自由空间误差构成；
[0056] (4)频域测量：无需时域变换，对测量频段及频点数无要求；
[0057] (5)适用性强：可适用与微波/毫米波各频段自由空间材料测试系统，从IGHz~ 500GHz〇
【附图说明】
[0058] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术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。
[0059] 图1为自由空间材料测试系统配置图；
[0060] 图2为矢量网络分析仪12项误差模型示意图；
[0061] 图3为自由空间校准10项误差模型示意图；
[0062] 图4为本发明的基于双反射板校准件的自由空间传输反射校准方法流程图；
[0063] 图5为本发明的自由空间误差项模型图；
[0064] 图6为本发明的标准反射板1自由空间测量