低损低介电材料的测量方法及测量系统与流程

本发明涉及材料测量技术领域，尤其涉及一种低损低介电材料的测量方法及测量系统。

背景技术：

目前材料的介电系数和磁导率的测量主要有三种测量方法，电容法，传输线法，谐振腔法。电容法适用于测量较低的频段，例如100khz～30mhz；谐振腔法适用于高频，但是是点频测量；传输线法适用于很宽的频段从1mhz至毫米波段，因此测量固体材料宽频特性普遍采用传输线法。经典的传输线法是基于网络分析仪测量材料的正向传输系数s21、反向传输系数s12、输入反射系数s11和输出反射系数s22，通过nrw(nicolson–ross–weir)公式计算得到材料的介电系数(即介电常数)和磁导率。由于网络分析仪自身的残余误差，在测量低损低介电材料时，其传输系数s21/s12和反射系数s11/s22的测量结果中，网络分析仪自身的残余误差甚至可能远大于传输系数和反射系数的真实值，因此，由传输系数s21/s12和反射系数s11/s22导出的介电系数和磁导率相对误差偏大，影响介电系数和磁导率的测量准确性，这是国际公认的测量技术难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种低损低介电材料的测量方法及测量系统以解决测量低损低介电材料的介电系数和磁导率时，测量误差大的技术问题。

基于本发明实施例的一方面，本发明提供了一种低损低介电材料的测量方法，该方法包括：

//权利要求确认后补充

本发明提供的低损低介电材料的测量方法，利用射频或毫米波双通道衰减测量系统能够测量被测材料的相移优势，通过调整源反射系数和负载反射系数，使源反射系数和负载反射系数的一系列值分别形成一个等幅度的矢量圆，再通过求解圆心，计算出被测低损低介电材料的传输系数和反射系数，最终通过nrw(nicolson–ross–weir)公式计算得到被测材料的介电系数和/或磁导率。本发明能够提高介电系数和磁导率测量结果的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种低损低介电材料测量系统示意图；

图2为本发明实施例提供的一种低损低介电材料测量方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种低损低介电材料测量方法的计算步骤示意图；

图4为本发明另一实施例提供的一种低损低介电材料的测量系统示意图；

图5为本发明另一实施例提供的带控制装置的低损低介电材料的测量系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1为本发明实施例提供的一种低损低介电材料测量系统(亦称为射频双通道衰减测量系统)示意图。该测量系统包括测量通道和同步通道两个射频通道，在测量通道内，在被测材料dut位置两边分别设置一个调配器，为测量方便可以将被测材料置入一段标准长度的波导夹具进行测量。与信号源s连接的调配器为源端调配器t1，锁定放大器la(或称锁相放大器)一侧的调配器为负载端调配器t2，每个调配器都能够独立地通过手动或程序控制方式设置不同的反射系数，被测材料插入在调配器之间，负载端调配器t2输出的测量信号与本振信号源lo输出的信号通过测试通道中的第一混频器m1混频后输入到锁定放大器la的测量信号输入端。

在同步通道内，信号源s的输出信号同本振信号源lo的输出信号在第二混频器m2混频后的同步信号输入到锁定放大器la的同步信号输入端。信号源s与本振信号源lo连接，本振信号源lo的输出信号分别输入到测量通道的第一混频器t1和同步通道的第二混频器t2。

锁定放大器la输出的信号的幅值以及相位对应着射频测量通道的传输参数，由被测材料插入前、后的两次测量的幅值和相位结果可导出被测材料的传输参数，但是，由于得到的传输参数中既包括了传输系数s21也包括了失配项(即失配误差)，因此导致测量误差较大，无法得到精确的测量结果，为解决该技术问题，本发明提出了一种低损低介电材料的测量方法及相应的测量系统，通过本发明提出的技术方案，能够基本消除失配误差，从而提高测量精度。

在使用本发明提供的测量方法对被测低损低介电材料的介电系数(或称介电常数)和/或磁导率进行测量之前，需要用网络分析仪定标校准源端调配器和负载端调配器，从而得到预设的不同反射系数对应的调节探头位置值，以供在后续的计算过程中使用。本发明实施例中所述的调配器是一种调节阻抗的设备，可以是手动调配器也可以是自动调配器，自动调配器可与计算机连接通过程序控制配合网络分析仪实现对调配器的定标校准，可提高测量效率和测量精度。调配器的定标校准可以实现阻抗圆图的任一点调整，在定标校准前，这些点可能不是标准值。用网络分析仪定标校准过程，就是将阻抗圆图的标准值赋予调配器，这样就可以实现对调配器进行精确的阻抗调节了。虽然本发明实施例中使用网络分析仪来对调配器进行定标校准，但此处的“网络分析仪”应视为对任何能够实现对调配器进行定标校准的设备的概括，不应视为对本发明保护范围的限制。

本发明实施例中所述的低损低介电材料在材料介电参数测量领域具有公认的确切含义，例如《英国国家物理实验室的材料介电测量指导手册》上定义，低损是指介电常数损耗正切<3e^-4，低介电常数一般指介电常数实部<5。介电常数是一个复数，其实部表示存储能量，虚部表示损耗。本领域技术人员通常用实部和虚部的正切角(即损耗正切角)来表征材料的介电常数。

图2为本发明实施例提出的一种低损低介电材料的测量方法的步骤流程示意图，图3为本发明实施例提供的一种低损低介电材料的测量方法对应的以计算公式表达的计算步骤流程示意图，以下结合图2和图3对该方法的实现步骤描述如下：

步骤200、在源端调配器及负载端调配器的反射系数均被置为0，且未置入被测材料的条件下，测量得到全空置传输参数tnull|γg0,γl0。

本发明实施例中，所述的未置入被测材料情况下，为实现信号的传输，通常使用一段标准长度的波导夹具或空的预设波长的传输线来连接源端调配器和负载端调配器。

根据传输参数测量定义，本发明实施例中低损低介电材料测量系统中的被测材料的传输参数的计算公式为：

其中，tnull为未置入被测材料条件下的传输参数，t’d为被测材料为实际的被测材料或被测设备条件下的传输参数。其表达式如下：

tnull＝s21(1+γgγl)(公式2)

td'＝s21(1+s11γg+s22γl-s11s22γgγl+s21s12γgγl)(公式3)

上述公式中，s21为被测材料的正向传输系数、s12为被测材料的反向传输系数、s11为被测材料的输入反射系数和s22为被测材料的输出反射系数，γg为源端调配器t1的反射系数，γl为负载端调配器t2的反射系数。

在本发明实施例中涉及到以下三种空置条件下的传输参数的表达式以及三种插入被测材料条件下的传输参数的表达式，各表达式对应条件即含义描述如下：

tnull|γg0，γl0表征未置入被测材料、源端调配器的反射系数及负载端调配器的反射系数均被置为0条件下的传输参数。本发明实施例中，所述被置为0是指理想状态下赋值为0，在实际值情况下，由于噪声、温度、湿度等影响，实际为接近0的值，一般<0.005，公式中用γg0和γl0来表示。

tnull|γgi,γl0表征未置入被测材料、源端调配器反射系数分别设置为γg1,γg2,γg3,,,γgn且负载端调配器的反射系数被置为0并保持不变(γl0)条件下的传输参数。

tnull|γg0,γli表征未置入被测材料、源端调配器的反射系数被置为0并保持不变(γg0)且负载端调配器反射系数分别设置为γl1,γl2,γl3,,,γln条件下的传输参数。

t’d|γg0,γl0表征置入被测材料、源端调配器的反射系数被置为0且负载端调配器的反射系数被置为0条件下的传输参数。

t’d|γgi,γl0表征置入被测材料、源端调配器反射系数分别设置为γg1,γg2,γg3,,,γgn且负载端调配器的反射系数被置为0并保持不变(γl0)条件下的传输参数。

t’d|γg0,γli表征置入被测材料、源端调配器的反射系数被置为0并保持不变(γg0)且负载端调配器反射系数分别设置为γl1,γl2,γl3,,,γln条件下的传输参数。

本发明实施例中，为源端调配器或负载端调配器分别设置n个反射系数的目的是为了使测量到的传输参数形成一个矢量圆，通过矢量圆的圆心求解被测材料的各传输系数及反射系数，从而消除系统失配误差。n的取值范围理论上为大于等于4的偶数，n取值越大，代表确定圆的点越多，圆心计算结果就越精确。

本发明一具体实施例中，重复测量n次tnull|γg0,γl0，测量得到n个全空置传输参数，然后对测量的结果求平均值，从而得到较为准确的空置情况下的传输参数，这样可以减小热漂移对测量结果的影响，以提高测量精度。

本发明一具体实施例中，可选择波导校准件中的精密1/4波长标准波导段作为材料夹具，以减小夹具非理想性带来的测量误差。

步骤202、在负载端调配器的反射系数被置为0并保持不变，将源端调配器反射系数设置为模值固定为第一模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量，且未置入被测材料的条件下，测量得到对应的n个传输参数tnull|γgi,γl0。

该步骤中，负载端调配器反射系数被置为0，源端调配器反射系数分别被置为模值固定为第一模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量，例如源端调配器反射系数可按表达式γgi＝[x，(i-1)×360°/n]来设置，其中，x为一预设值，该值可根据调配器的性能和定标精度选择，例如在一实施例中可将x的取值范围设置为0.1<x<0.9；1≤i≤n，被测材料为一段标准长度的波导夹具，针对每个γgi测量得到n个传输参数tnull|γgi,γl0。

步骤204、在源端调配器的反射系数置为0并保持不变，将负载端调配器反射系数置为模值固定为第二模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量，且未置入被测材料的条件下，测量得到n个传输参数tnull|γg0,γli

该步骤中，源端调配器反射系数被置为0，负载端调配器反射系数分别被置为模值固定为第二模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量，例如负载端调配器反射系数可按表达式γli＝[y，(i-1)×360°/n]，其中，y为一预设值，该值可根据调配器的性能和定标精度选择，例如在一实施例中可将y的取值范围设置为0.1<y<0.9；1≤i≤n，被测材料为一段标准长度的波导夹具，针对每个γli测量得到n个传输参数tnull|γg0,γli。

步骤206，在置入被测材料，且将源端调配器和负载端调配器的反射系数均置为0并保持不变条件下，测量得到传输参数t’d|γg0,γl0。

本发明一具体实施例中，重复测量n次t’d|γg0,γl0，测量得到n个输参数，然后对测量的结果求平均值，从而得到较为准确的t’d|γg0,γl0，这样可以减小热漂移对测量结果的影响，以提高测量精度。

步骤208，在置入被测材料，将负载端调配器的反射系数置为0并保持不变，且将源端调配器反射系数置为模值固定为第一模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量的条件下，测量得到对应的n个传输参数t’d|γgi,γl0。

该步骤中，负载端调配器反射系数被置为0，源端调配器反射系数分别被置为γgi＝[x，(i-1)×360°/n]，其中，x为一预设值，1≤i≤n，被测材料为置入被测材料的一段标准长度的波导夹具，针对每个γgi测量得到n个传输参数t’d|γgi,γl0。

步骤210、在置入被测材料，将源端调配器的反射系数置为0并保持不变，且将负载端调配器反射系数置为模值固定为第二模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量的条件下，测量得到对应的n个传输参数t’d|γg0,γli。

该步骤中，源端调配器反射系数被置为0，负载端调配器反射系数分别被置为γli＝[y，(i-1)×360°/n]，其中，y为一预设值，1≤i≤n，被测材料为置入被测材料的一段标准长度的波导夹具，针对每个γli测量得到n个传输参数t’d|γg0,γli。

步骤212、基于传输参数的计算公式计算得到在源端调配器和负载端调配器的反射系数均被置为0条件下的传输参数td0。

该步骤中，基于公式1，代入步骤206中得到的td'|γg0,γl0和步骤200中得到的tnull|γg0,γl0，从而得到td0。

步骤214、基于传输参数的计算公式计算在负载端调配器的反射系数被置为0并保持不变且源端调配器反射系数的模值固定为第一模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量条件下的传输参数tdgi|γgi,γl0。

该步骤中，基于公式1，代入步骤208中得到的t’d|γgi,γl0和步骤202中得到的tnull|γgi,γl0，从而得到tdgi。

步骤216、基于传输参数的计算公式计算在源端调配器的反射系数置为0并保持不变且负载端调配器反射系数置为模值固定为第二模值，相位在圆周内等间隔分布的n个矢量条件下的传输参数tdli|γg0,γli。

该步骤中，基于公式1，代入步骤210中得到的t’d|γg0,γli和步骤204中得到的tnull|γg0,γli，从而得到tdli。

步骤218、计算由tdgi构成的矢量圆的圆心rg；

当负载端调配器反射系数被置为0并保持不变，源端调配器反射系数分别被置为γgi＝[x，(i-1)×360°/n]，其中，x为一预设值，i为1≤i≤n的正整数的条件下，tdgi构成矢量圆，即：

求解由tdgi构成矢量圆的圆心rg为：

步骤220、计算由tdli构成的矢量圆的圆心rl；

当源端调配器反射系数设置为0并保持不变，负载端调配器反射系数设置为γli＝[y，(i-1)×360°/n]，其中，y为一预设值，i为1≤i≤n的正整数的条件下，tdli构成矢量圆，即：

tdli＝s21[1+γg0s11+γli(s22-s11s22γg0+s21s12γg0-γg0)](公式6)

圆心为求解由tdli构成矢量圆的圆心rl：

步骤222、通过rg、rl以及td0计算得到被测材料的传输系数s21和/或s12。

被测材料的传输系数计算公式为：

其中，由于γg0和γl0通常小于0.005，因此两个失配项s12s21γg0γl0以及γg0γl0都是小于0.000025量，本发明实施例将其作为可以忽略的误差忽略掉，如公式8所示，从而通过计算得到被测材料的传输系数系数s21和/或s12。

对于各向同性的被测材料，可以认为s12＝s21。对于各向异性的被测材料，可以将被测材料反转后再次执行步骤200到步骤220，得到被测材料反置后测得的rg、rl以及td0，然后再次应用公式(4)-(8)计算得到s12。

步骤224、通过tdgi、tdli和td0计算得到反射系数s11和/或s22。

其中，对于低损低介电材料，s12和s21实部接近于1，虚部很小；γl0表示负载端的反射系数为0，因此，γl0(1+s11s22s12s21)是可忽略的小量；δγgi＝γgi-γg0≈γgi，γg0表示负载端的反射系数为0，通过公式9可计算得出s11。

同理，用tdli和td0的测量结果也可以导出s22。

步骤226、通过nicolson–ross–weir公式，计算得出被测材料的介电系数和/或磁导率。

本发明一具体实施例，在图1所示例的测量系统的基础上增加了若干隔离器和/或两个中频放大器，如图4示例的低损低介电材料的测量系统示意图，其中，所增加的隔离器用于防止串扰，提高测量精度。在两个通道的混频器之后所增加的中频放大器用于对混频器输出的中频测量信号和中频同步信号进行放大，以方便锁定放大器进行测量及提高测量准确性。

图4的示例中，信号(signal)源经功分器分别溃入测量通道(meas.channel)和同步通道(syncchannel)，信号源s的输出信号经隔离器iso1输入到源端调配器t1，被测材料被置入波导夹具后插入到源端调配器t1和负载端调配器t2之间，负载端调配器t2通过隔离器iso3与测试通道的混频器m1连接，混频器m1的输出信号输入到中频放大器gain1，中频放大器gain1输出中频测量信号(ifsignal)到锁定放大器(lock-inamplifier)的测试信号输入端。信号源s的输出信号经隔离器iso2和隔离器iso4(可合为一个隔离器)输入到同步通道的混频器m2。本振信号源(lo)从信号源获得参考信号，本振信号源lo的输出信号经功分器后，通过隔离器iso5输入到混频器m1，通过隔离器iso6输入到同步通道的混频器m2，混频器m2的输出信号输入到中频放大器gain2，中频放大器gain2输出中频同步信号(ifsync)到锁定放大器(lock-inamplifier,简称la)的同步信号输入端。锁定放大器测量得出中频测量信号的幅值以及相位,分别对应着射频测量通道的传输参数模值与相位。由被测材料插入前、后的两次测量的幅值和相位结果可计算出被测材料的传输参数，得到的传输参数包含了传输系数s21以及失配项(即失配误差)。通过设置源端调配器的一系列反射系数值，可得到相应的被测材料一系列传输参数，当源端调配器的一系列反射系数值形成一个矢量圆(模值相等，相位从0°变化至360°时)，被测材料的传输参数值也对应着形成一个矢量圆；同理，设置负载端调配器的反射系数值形成一个矢量圆时，被测材料的传输参数值也对应着形成是一个矢量圆。由此得到了两个传输参数矢量圆，通过求解圆心以及源端调配器和负载端调配器的反射系数值设置为0时对应的传输参数值，可计算得到传输系数s21，该计算结果基本消除失配误差的传输系数。进而通过公式也可计算得到被测材料的反射系数。结合图4，该实施例测量低损低介电材料的介电系数和/或磁导率的实现步骤如下：

步骤300、在进行测量之前，首先用网络分析仪定标源端调配器及负载端调配器，得到不同反射系数对应的位置值。

步骤302、将未置入被测材料的空的1/4波长的传输线(即一段标准长度的波导夹具)插入测量通道中(即dut位置)，源端调配器和负载端调配器的反射系数都设置为0，依据公式2，n值取18，重复测量18次，得到18个tnull|γg＝0,γl＝0。

步骤304、在保持未置入被测材料的空的1/4波长传输线插入测量通道中的状态不变的情况下，将负载端调配器反射系数设置为0，并保持不变(γl0)，源端调配器反射系数设置为γg1,γg2,γg3,,,γg18，(γg1＝[0.7，0°]，γg2＝[0.7，20°]，γg3＝[0.7，40°]，，，γg18＝[0.7，340°])，即x取0.7，n值取18，依据公式3，测量得到对应的18个传输参数tnull|γg＝0.7,γl＝0。

步骤306、在保持未置入被测材料的空的1/4波长传输线插入测量通道中的状态不变的情况下，将源端调配器反射设置为0，并保持不变(γg0)，负载端调配器反射系数设置为γl1,γl2,γl3,,,γl18，(γl1＝[0.7，0°]，γl2＝[0.7，20°]，γl3＝[0.7，40°]，，，γl18＝[0.7，340°])，为计算方便该步骤中y取与x相同的值，即y取0.7，n值取18，依据公式3，测量得到对应的18个传输参数tnull|γg＝0,γl＝0.7。

步骤308、将被测材料置入1/4波长传输线后插入到测量通道中，源端调配器和负载端调配器反射系数都设置为0，基于公式3，n值取18，测量得到对应的传输系数t’d|γg＝0,γl＝0。重复测量18次，得到18个传输参数t’d|γg＝0,γl＝0。

步骤310、保持将被测材料置入1/4波长传输线后插入到测量通道中的状态，将负载端调配器反射系数设置为0，并保持不变，将源端调配器反射系数设置为γg1,γg2,,,γg18，(γg0＝0，γg1＝[0.7，0°]，γg2＝[0.7，20°]，，，γg18＝[0.7，340°]),即x取0.7，n值取18，基于公式3，测量得到对应的18个传输参数t’d|γg＝0.7,γl＝0。

步骤312、保持将被测材料置入1/4波长传输线后插入到测量通道中的状态，将源端调配器反射系数设置为0，并保持不变，负载端调配器反射系数设置为γl1,γl2,,,γl18(γl1＝[0.7，0°]，γl2＝[0.7，20°]，，，γg18＝[0.7，340°])，即y值取0.7，n值取18，基于公式3，测量得到对应的18个传输参数t’d|γg＝0,γl＝0.7。

步骤314、基于传输参数的计算公式1计算得到在源端调配器和负载端调配器的反射系数均被置为0条件下的传输参数td0，即以步骤308的结果除以步骤302的结果，得到td0；

步骤316、基于传输参数的计算公式1计算得到在源端调配器反射系数被设置为以预设固定值x为模值，相位对应角度以360度为限等间隔分布的n个矢量，且负载端调配器的反射系数被置为0并保持不变条件下的传输参数tdgi|γgi,γl0。即以步骤310的结果除以相对应步骤304的结果，得到tdgi。

步骤318、基于传输参数的计算公式计算得到在源端调配器反射系数被设置为0并保持不变，且负载端调配器的反射系数被置为以预设固定值y为模值，相位对应角度以360度为限等间隔分布的n个矢量条件下的传输参数tdli|γg0,γli。即以步骤312的结果除以相对应步骤306的结果，得到tdli。

步骤320、在当负载端调配器的反射系数设置为0并保持不变，源端调配器的反射系数设置为以预设固定值x为模值，相位对应角度以360度为限等间隔分布的n个矢量形成一个矢量圆时，依据公式5，计算由tdgi构成的矢量圆的圆心rg；

步骤322、在当源端调配器的反射系数设置为0并保持不变，负载端调配器的反射系数设置为以预设固定值y为模值，相位对应角度以360度为限等间隔分布的n个矢量形成一个矢量圆时，依据公式7，计算由tdli构成的矢量圆的圆心rl；

步骤324、依据公式8，根据前述步骤得到的rg、rl以及td0计算得到被测材料的传输系数s21和/或s12。

步骤326、依据公式9，根据前述步骤得到的tdgi，tdli和td0计算得到被测材料的反射系数s11和/或s22。

步骤226、通过nicolson–ross–weir即nrw公式，计算得出被测材料的介电系数和/或磁导率。

通过与现有针对低损低介电材料的测量方法的测量结果的比对分析，该实施例的测量方法能够基本消除了失配误差，测量结果不确定度比网络分析仪方法小了一个数量级。由于测量精度的提高，因此本发明实施例提供的方法还可用于测量小衰减，可推广应用于传输线效率的测量。

图5为本发明一实施例提供的另一种低损低介电材料的测量系统示意图，该测量系统在图1所示例的低损低介电材料的测量系统(亦称为射频双通道衰减测量系统)的基础上，增加控制装置，所述控制装置包括处理器、机器可读存储介质和输入输出接口，所述处理器可以为中央处理单元cpu、数字信号处理器dsp等，所述机器可读存储介质可为易失性存储介质(例如内存)和/或非易失性存储介质(例如磁盘、固态硬盘、光盘等)，所述输入输出接口可以为串行输出输出接口、并行输入输出接口，包括但不限于类似计算机的串口、网口、usb口、显示器接口等。

该实施例中，所述源端调配器和负载端调配器采用可由控制装置控制的自动调配器；控制装置通过输入输出接口分别与源端调配器、负载端调配器及锁定放大器连接，可以向端调配器、负载端调配器及锁定放大器发送控制信号，并读取锁定放大器的测量结果数据。

所述机器可读存储介质存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，处理器通过执行机器可执行指令来实现前述步骤200至步骤226的步骤以实现所述低损低介电材料的测量方法。

其中，处理器通过执行所述机器可执行指令实现测试流程的控制，按步骤自动设置所述源端调配器、负载端调配器的反射系数及从锁定放大器读取测量值，并计算出各步骤对应的传输参数值，最终根据nicolson–ross–weir公式，计算得出被测材料的介电系数和/或磁导率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。