专利名称：磁性吸波涂层的磁控检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种磁性吸波涂层的吸波性能检测，尤其是涉及一种磁性吸波涂层的磁控检测装置及其检测方法。
背景技术：
随着隐身技术和反隐身技术的迅速发展，雷达吸波涂层广泛应用于国防军事、武器装备、航空航天等领域，所以研究和开发具有高性能的吸波涂层成为现代军事领域的一个重大课题，而吸波涂层的电磁参数是衡量其吸波性能优劣的重要依据，它是指材料的复介电常数和复磁导率。在微波及毫米波段，吸波涂层的电磁参数测试方法按测试原理可分为网络参数法、谐振腔法两大类。网络参数法主要包括传输/反射法、自由空间法、时域法、 多状态法或多厚度法。吸波涂层的可控性研究对开发高性能的涂层具有重要的意义，主要指的是通过外加电场、磁场、温度来控制吸波涂层的电磁参数，从而改变其吸波性能的技术。在这里所采用的磁控检测方法是应用最广的传输/反射法。
针对吸波涂层电磁参数测试的研究，早在1975年美国的科学家PaulA. Calcagno and DavidA. Thompson提出了采用“8字形”线圈测量材料的电磁参数,不过该装置只能在 I IOOMHz范围内7个离散频率点上测试厚度不低于IOOym的薄膜；1988年美国的科学家C. A. Grimes在“8字形”线圈的基础上对夹具结构进行了重新设计，把测试频率提高到了 500MHz，测试样品的厚度可薄至I μ m，但其测试准确度不高；1998年法国布雷斯特大学的Patrick Qu' eff' elec等人提出采用微带线结构来测量薄膜的电磁参数,测试频率为IOOMHz 10GHz，薄膜厚度为I 10 μ m ；2003年法国原子能研究机构M. Ledieu采用了短路微带传输线装置来测量薄膜的复磁导率，频率达到6GHz ；2004年德国材料研究所的V. Bekker等人设计出了针对铁磁薄膜复磁导率的终端短路传输线结构，针对电磁波的Q波段、W波段的亚毫米波和毫米波以及更多高频段的涂层电磁参数进行了测量分析；2005年张秀成等人对V. Bekker提出的终端短路微带传输线反射法进行了改进，实现与微波矢量网络分析仪进行直接数据通讯，快速提取测试数据。
针对吸波涂层电磁参数可控性的研究，2002年美国Agilent的8507ID完成了对吸波涂层复介电常数的变温测量，但还不能完成复磁导率的测量；2003年国内电子科技大学的张其勋等利用传输/反射法研制了温度控制系统，并完成了电磁参数的计算；2005年来自美国塔夫斯大学的L. Subramanian等人研制一种准光学测光仪，将涂层样品放置于磁场中，利用返波振荡器(BWO)作为扫描源进行测量，频率范围覆盖了电磁波的Q波段到W波段， 且不用更改样品尺寸，十分方便；2005年中南大学的周克省等人研究讨论了外加电场的频率与吸波涂层的吸收峰之间的关系；2007年南京大学的曹东升等人利用动态法分析了磁电材料的磁电效应并讨论了线圈的长度、匝数和交变磁场场强对磁电效应的影响；2009年西北工业大学航天学院的杨涓等利用永磁材料对微波等离子体外加磁场，研究外加磁场的条件下等离子体对4 8GHz垂直极化和水平极化电磁波的衰减效应；2009年电子科技大学的苏胜皓等人利用传输反射法实现了在不同温度下吸波涂层电磁参数的自动测试，并实3现了对测试系统的变温校准；2011年电子科技大学的唐晓明等人利用单反射法实现了对介质涂层的变温测试。
上述方法主要研究集中在电磁参数的测试及变温控制，对磁性吸波涂层的吸波性能磁控的研究还很少，而本发明通过在磁性吸波涂层上加载磁场使得其吸波性能具有可控性，这对于研究智能可控涂层性能具有重要意义。发明内容
本发明的目的是提供一种可调控、适用性广、灵敏度高、操作简便、稳定性好、可重复性高，特别是在磁性吸波涂层的磁控检测上更具有优势的磁性吸波涂层的磁控检测装置及其检测方法。
所述磁性吸波涂层的磁控检测装置设有矩形波导、矩形螺线圈、直流稳压电源、矢量网络分析仪和控制计算机；所述矩形波导的前端与矢量网络分析仪连接，矩形螺线圈置于矩形波导的内部并引出两个接头，矩形波导的后端连接短路板，直流稳压电源的输出端与矩形螺线圈引出的两个接头连接，矢量网络分析仪通过电缆与控制计算机的输入端口连接。
所述矩形波导工作频段覆盖范围为2 40GHz，所述矢量网络分析仪采用频率覆盖范围为45MHz 40GHz的矢量网络分析仪。
所述磁性吸波涂层的磁控检测方法，采用所述磁性吸波涂层的磁控检测装置，包括以下步骤
I)采用标配的开路、短路、负载校准件完成矢量网络分析仪的校准工作，再用矢量网络分析仪配带的同轴波导转换接头与矩形波导连接，完成矩形波导端面的校准；
2)将矩形螺线圈所引出的两个接头之间加载直流电流0A、0. 1A、0. 2A……1A，观察空矩形螺线圈加载电流时的散射参数S11的变化，待数据变化稳定后分别记录S11 (O)、S11 (O. l)、Sn (0.2)……S11 (1)，即得到空矩形螺线圈加载不同电流时的散射参数S11;
3)取下短路板，将设有磁性吸波涂层的待测样品放入矩形螺线圈内，再将短路板通过紧固件与矩形波导后端紧固，再将矩形螺线圈所引出的两个接头之间加载直流电流 0A、0. 1A、0. 2A……1A，观察置于矩形螺线圈内的磁性吸波涂层散射参数S’ n的变化，待数据变化稳定后分别记录S’n (0)、S，n (O. l)、S’n (0.2)……S，n (1)，则得到加载不同电流时放置有待测样品时的矩形螺线圈的散射参数S’ n。
所述待测样品为长方体样品，样品的截面长宽根据拟测频段由所对应的矩形波导体的尺寸来确定，待测样品的磁性吸波涂层均为各向同性的均匀媒质待测样品的长度由位置的敏感性与实际测试来选定。待测磁性吸波涂层表面必须是光滑、平整，没有毛刺和划痕。对于高损耗涂层，待测样品的磁性吸波涂层厚度不能太大，为确保散射参数S11 (s’n)在所选取的矢量网络分析仪允许的增益范围内，磁性吸波涂层厚度可选取2 5_。
所述磁性吸波涂层的磁控检测装置采用的仪器，以及所述磁性吸波涂层的磁控检测方法中的待测样品和环境条件等均按国家监测标准要求执行。
与现有技术比较，本发明的突出优点在于
(I)所述磁控检测装置和磁控检测方法实现了磁性吸波涂层的磁控检测，采用矩形波导终端短路法并通过外加磁场来达到对待测样品磁性吸波涂层吸波性能的调控；
(2)矩形螺线圈适合频段范围宽；
(3)可利用待测样品在矩形波导中的尺寸敏感性和位置敏感性来达到对磁性吸波涂层的磁控特性；
(4)可得到外加磁场大小与所测磁性吸波涂层散射参数之间的非线性变化关系， 从而可实现按需调控磁性吸波涂层吸波特性的目的。
图I为本发明所述磁性吸波涂层的磁控检测装置实施例的结构组成及检测原理框图。
图2为本发明所述磁性吸波涂层的磁控检测装置实施例的Ku波段的矩形螺线圈和置于矩形螺线圈中的设有磁性吸波涂层的待测样品的示意图。在图2中，L、2a、2b分别为矩形螺线圈的长度、截面长和截面宽；t、h、I分别为设有磁性吸波涂层的长方体待测样品的厚度、宽度和长度。
图3为在Ku波段频率范围内空矩形螺线圈的散射参数S11随电流变化的变化量八311，以所通直流电流1=0.24、0.64、1么为例。在图3中，横坐标为频率F(GHz)，纵坐标为散射参数的变化量Λ S11 (dB),曲线“_”为所通直流电流I = O. 2A时的散射参数变化量随频率变化的曲线；曲线“_ _”为所通直流电流I = O. 6A时的散射参数变化量随频率变化的曲线；曲线“…”为所通直流电流I=FlA时的散射参数变化量随频率变化的曲线。
图4为在Ku波段频率范围内设有磁性吸波涂层的长方体待测样品分别距离矩形螺线圈端面(即靠近短路板的一端)22mm、32mm、42mm、52mm和62mm时的散射参数S’ n曲线图。在图4中，横坐标为频率F(GHz)，纵坐标为散射参数S’n (dB)。其中，曲线“_”为距离矩形螺线圈端面22mm时的散射参数随频率变化的曲线；曲线“_ _”为距离矩形螺线圈端面32mm时的散射参数随频率变化的曲线；曲线“…”为距离矩形螺线圈端面42mm时的散射参数随频率变化的曲线；曲线为距离矩形螺线圈端面52mm时的散射参数随频率变化的曲线；曲线为距离矩形螺线圈端面62mm时的散射参数随频率变化的曲线。
图5为在Ku波段频率范围内设有磁性吸波涂层的待测样品置于长度L为85mm的矩形螺线圈中心位置处，即距离靠近短路板的矩形螺线圈端面42mm的位置处，待测样品的散射参数的变化量AS’n (dB)随矩形螺线圈所通直流电流变化的曲线图，以所通直流电流 1=0. 2A、0.6A、1A为例。在图5中横坐标为频率F (GHz)，纵坐标为散射参数变化量AS’ n (dB),曲线“_”为所通直流电流I = O. 2A时的散射参数变化量随频率变化的曲线；曲线_”为所通直流电流为I = O. 6A时的散射参数变化量随频率变化的曲线；曲线“…”为所通直流电流为I=IA时的散射参数变化量随频率变化的曲线。
图6为设有磁性吸波涂层的待测样品在Ku波段内的三个吸收峰随矩形螺线圈所通直流电流变化的曲线图。在图6中，横坐标为直流电流1(A)，纵坐标为散射参数衰减量AS’ n (dB),曲线“_”为在频率点13. 3GHz处吸收峰的散射参数变化量随电流变化的曲线；曲线为在频率点14. 8GHz处吸收峰的散射参数变化量随电流变化的曲线；曲线 “…”为在频率点16. 8GHz处吸收峰的散射参数变化量随电流变化的曲线。
图7为在Ku波段频率范围内设有聚四氟乙烯磁性吸波涂层的待测样品的散射参数真与实测图。在图7中，横坐标为频率F(GHz)，纵坐标为散射参数S’ n (dB)，曲线“…”为散射参数S’ n随频率变化的仿真图；曲线“_ _”为散射参数S’ n随频率变化的实测图。
具体实施方式
参见图1，所述磁性吸波涂层的磁控检测装置实施例设有矩形波导I、矩形螺线圈2、直流稳压电源3、矢量网络分析仪4和控制计算机5 ;所述矩形波导I的前端与矢量网络分析仪4的端口连接，矩形螺线圈2设在矩形波导I的内部，并引出两个接头，矩形波导I 的后端连接短路板6，直流稳压电源3的输出端与矩形螺线圈2引出的两个接头连接，矢量网络分析仪4通过电缆与控制计算机5的输入端口连接。
所述矩形波导I的工作频段为2 40GHz，本实施例以Ku波段矩形波导为例，工作频段为12. 4 18GHz，所述矢量网络分析仪4采用频率覆盖范围为45MHz 40GHz的矢量网络分析仪。
参见图2，L、2a、2b分别为矩形螺线圈2的长度、截面长和截面宽；t、h、l分别为设有磁性吸波涂层的长方体待测样品P的厚度、宽度和长度。
所述磁性吸波涂层的磁控检测方法的具体步骤如下
步骤一根据短路法测量要求校准矢量网络分析仪。首先将矢量网络分析仪开机预热约30分钟，以消除仪器内部由于温度漂移对测试结果带来的影响。选择12. 4 18GHz 频率范围后按开路、短路、负载步骤依次对矢量网络分析仪进行校准，其次用矢量网络分析仪配带的同轴波导转换接头与Ku波段对应的矩形波导连接，完成矩形波导端面的校准；
步骤二 测试空矩形螺线圈时的散射参数Sn。将经过绝缘处理的长度L为85mm 矩形螺线圈，放入Ku波段对应的矩形波导内并引出两个接头，再将短路板通过紧固件与矩形波导后端紧固，再在两个接头之间分别加载直流电流0、0. 1A、0. 2A……1A，待数据变化稳定后分别记录空矩形螺线圈加载电流时的散射参数S11 (O)、S11 (O. I)、S11 (0.2)……S11(I)。观察空矩形螺线圈加载电流时的散射参数变化量AS11(ClB),以所通直流电流1=0. 2A、 O. 6A、1A为例(参见图3)；
步骤三将通过磁粉掺杂改性的导电聚合物所制备的磁性吸波涂层(以聚苯胺与铁磁粉的比例I : I为例，涂层的厚度定为4_)置于矩形螺线圈内，再将短路板通过紧固件与矩形波导后端紧固并分别进行测试，观察实验结果。本实施例中的敏感位置分别为距离靠近短路板的矩形螺线圈端面22mm、32mm、42mm、52mm、62mm的位置,观察磁性吸波涂层的散射参数S’n的变化规律，并记录实验数据(参见图4)。
步骤四在两个接头之间加载不同的直流电流，如0、0. 1A、0. 2A......1A，观察置于矩形螺线圈内敏感位置处的磁性吸波涂层散射参数S’ n的变化。
注意处理待测磁性吸波涂层必须保证表面干净清洁、光滑平整、均匀和各向同性， 以及无裂缝，涂层中应避免气孔(直径小于O. Imm均匀分布的微孔除外);待测涂层与测试夹具之间的缝隙应尽可能的小；待测样品两端都必须与测试夹具的轴线即电磁波入射方向垂直。
如图2所示，以Ku波段为例，L为矩形螺线圈的长度为85mm，根据仿真优化结果来确定；2a和2b分别为矩形螺线圈的截面长15mm和宽7mm,由矩形波导窗的长度和宽度决定(与矩形螺线圈紧密装配，避免空气隙带来误差)；d为漆包铜线的直径为O. 41_，根据具体所加电流的大小来选定；t为磁性吸波涂层待测样品的厚度为4_ ；h为待测样品的宽度 14mm,由矩形线圈的截面长2a决定；1为待测样品的长度4_，由位置的敏感性与实验测试效果决定。矩形螺线圈和待测样品的各部分尺寸参见表I。
表I
权利要求
1.磁性吸波涂层的磁控检测装置，其特征在于设有矩形波导、矩形螺线圈、直流稳压电源、矢量网络分析仪和控制计算机；所述矩形波导的前端与矢量网络分析仪连接，矩形螺线圈置于矩形波导的内部并引出两个接头，矩形波导的后端连接短路板，直流稳压电源的输出端与矩形螺线圈引出的两个接头连接，矢量网络分析仪通过电缆与控制计算机的输入端口连接。
2.如权利要求I所述的磁性吸波涂层的磁控检测装置，其特征在于所述矩形波导的工作频段为2 40GHz。
3.如权利要求I所述的磁性吸波涂层的磁控检测装置，其特征在于所述的矢量网络分析仪频率为45MHz 40GHz。
4.磁性吸波涂层的磁控检测方法，其特征在于采用如权利要求I所述磁性吸波涂层的磁控检测装置，所述检测方法包括以下步骤； 1)采用标配的开路、短路、负载校准件完成矢量网络分析仪的校准工作，再用矢量网络分析仪配带的同轴波导转换接头与矩形波导连接，完成矩形波导端面的校准； 2)将矩形螺线圈所引出的两个接头之间加载直流电流0A、0.1A、0. 2A……1A，观察空矩形螺线圈加载电流时的散射参数S11的变化，待数据变化稳定后分别记录Sn(0)、Sn(0. I)、S11 (0.2)……S11 (1)，即得到空矩形螺线圈加载不同电流时的散射参数S11; 3)取下短路板，将设有磁性吸波涂层的待测样品放入矩形螺线圈内，再将短路板通过紧固件与矩形波导后端紧固，再将矩形螺线圈所引出的两个接头之间加载直流电流0A、O.1A、0. 2A……1A，观察置于矩形螺线圈内的磁性吸波涂层散射参数的变化，待数据变化稳定后分别记录S’ n (0)、S，n (O. l)、S’n (0.2)……S，n (1)，则得到加载不同电流时放置有待测样品时的矩形螺线圈的散射参数s’ n。
5.如权利要求4所述的磁性吸波涂层的磁控检测方法，其特征在于在步骤3)中，所述待测样品为长方体样品。
6.如权利要求4所述的磁性吸波涂层的磁控检测方法，其特征在于在步骤3)中，所述磁性吸波涂层的厚度为2 5_。
全文摘要
磁性吸波涂层的磁控检测装置及其检测方法，涉及一种磁性吸波涂层的吸波性能检测。装置设有矩形波导、矩形螺线圈、直流稳压电源、矢量网络分析仪和控制计算机；将矩形螺线圈引出的接头之间加载直流电流，观察空矩形螺线圈加载电流时的散射参数的变化并记录，得空矩形螺线圈加载不同电流时的散射参数；取下短路板，将设有磁性吸波涂层的待测样品放入矩形螺线圈内，再将短路板与矩形波导后端紧固，将矩形螺线圈引出的接头之间加载直流电流，观察置于矩形螺线圈内的磁性吸波涂层散射参数的变化并记录，得加载不同电流时放置有待测样品时的矩形螺线圈的散射参数。可调控、适用性广、灵敏度高、操作简便、稳定性好、可重复性高。
文档编号G01R31/00GK102928712SQ20121043196
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者周建华, 霍丽霞, 李伟文, 游佰强, 李彦龙, 李海雄, 叶啸海 申请人:厦门大学