基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置的制作方法

本实用新型属于材料电磁参数测试技术领域，涉及一种材料电磁参数测试装置及方法，具体涉及一种基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置及方法，可用于微波通信、国防军工、电子技术和新材料等众多领域中材料电磁参数的测试与分析。

背景技术：

材料与电磁场的作用可以用电磁参数来描述，知道了材料的电磁参数就能判断材料在电磁场的效应，材料电磁参数主要包括复磁导率和复介电常数。材料电磁参数的测试在国防、信息技术、军事装备以及航天有关技术中有十分重要的意义，高精度的测试装置及方法的研究更一直是材料科学、生物电磁学、隐身技术、微波电路设计等电磁场和微波工程技术的实践领域的重要研究课题，例如在吸波材料的研制和生产过程中，如果能准确测定吸波材料的电磁参数，就可以进行吸波材料的仿真计算、优化设计和性能评估。

材料电磁参数测试方法主要包括谐振腔法和网络参数法。其中谐振腔法是将待测材料放入空腔谐振器中，根据待测材料置入腔体前后谐振频率和品质因数的变化，计算出待测材料的复电磁参数。由于损耗较大的材料在谐振腔内的频响曲线均不够尖锐，所以，谐振腔法只能对低损耗的材料进行测试。此外，谐振腔的谐振模式只能工作于单个频率点，不同频点的测试只能通过更换尺寸不同的腔体来完成，通用性较差。网络参数法其基本原理是将待测材料置于传输系统中，当作一段已知长度的介质填充传输线，通过矢量网络分析仪测量此段传输线的反射和传输性能，从而计算得到待测材料的复电磁参数。trl(thrureflectline)法是基于网络参数法来实现的一种相对较成熟且易于实现的材料电磁参数测试方法，其主要思想是把待测材料及其测试夹具等效为双端口网络，通过测试该网络的散射参数或复反射系数([s]参数)，据此计算待测材料的复介电常数及复磁导率，可实现扫频以及宽频带测量。

目前，有两个主要因素影响trl法测试精度，首先，trl法校准时在矢量网络分析仪两个测试端口之间依次连入不同的校准件(直通、反射和标准空气线)进行三种状态下的校准。由于校准件的物理形式各不相同，在连入校准件的过程和放置待测材料时，不可避免的需要改变两个同轴电缆端口的物理位置，致使与之相连的同轴电缆发生物理状态变化，造成矢量网络分析仪采集的测试端口处反射系数的读数存在一定的幅度和相位误差，该误差会导致待测材料电磁参数的测试结果存在误差。此外，在材料电磁参数计算过程中，样品网络的的反射系数决定待测材料本身的复电磁参数，没有规律可循。导致trl法在测试过程中，系统对获取的矢量网络分析仪采集的反射和传输系数无法进行准确性的判别，最终无法判别计算出的待测材料的电磁参数的准确性。

中国专利申请，申请公布号cn109782200a，名称为“一种材料电磁参数测量方法”的专利申请中，公开了一种材料电磁参数测量装置。该装置包括：设置有两个测试端口的矢量网络分析仪、夹具校准模块、同轴电缆、非标测试夹具以及计算机，其中放样内导体与放样外导体构成了放样同轴线，材料样品放置在放样内导体与放样外导体中间，在定位螺孔中拧入定位螺丝用以固定材料样品在放样同轴线中的位置。非标转接头1和非标转接头2用来实现放样同轴线到标准n型接口的过渡，以保证矢量网络分析仪可以使用标准的n型同轴电缆进行测试。edeq1和非标转接头2的内导体通过螺纹与放样内导体连接，从而实现内导体的电接触。非标转接头1和非标转接头2的外导体通过定位法兰与放样外导体连接，从而实现外导体的电接触。该实用新型有效提高材料电磁参数的测试效率与测试精度，但是存在的不足是，待测材料测试过程中不可避免的需要改变两个同轴电缆端口的物理位置，致使与之相连的同轴电缆发生物理状态变化，最终将造成较大的测试误差。此外，该方法无法判别测试中矢量网络分析采集的反射和传输系数的准确性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置及方法，旨在提高材料电磁参数测试精度。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案包括导轨1、固定支架2、包含gpib端口和测试端口的矢量网络分析仪3、同轴电缆4、导波传输结构5以及计算机6；所述固定支架2固定在导轨1上；所述同轴电缆4的一端通过导波-同轴转换装置7与固定在固定支架2上的导波传输结构5的一个开口面连接，该同轴电缆4的另一端与矢量网络分析仪3的测试端口连接；所述计算机6与矢量网络分析仪3的gpib端口连接；

所述导轨1上设置有可沿导轨1滑动的活动支架8，该活动支架8上固定有滑动短路器9，所述滑动短路器9包括一端封闭一端开口的导波传输线91、能够在导波传输线91内滑动的反射块92和能够读取反射块92位置对应刻度的千分尺93，导波传输线91的开口面与导波传输结构5的另一个开口面相接，当反射块92位于导波传输线91的不同位置时，实现对穿过放置在导波传输结构5腔体内的待测材料在不同状态下电磁能量的反射。

上述基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置，所述导波传输结构5，采用波导或同轴的结构形式，且该导波传输结构5与滑动短路器的导波传输线91的结构相同。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

1.本实用新型在导波传输结构一端连接反射电磁能量的滑动短路器，在整个测试过程中仅使用矢量网络分析仪的一个测试端口，避免了现有技术中使用矢量网络分析仪的两个测试端口在导波传输结构中放入待测材料时需要改变同轴电缆物理状态，造成矢量网络分析仪采集的反射和传输系数存在误差的缺陷，有效提高了待测材料的电磁参数测试精度。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型中滑动短路器的结构示意图；

图3为本实用新型材料电磁参数测试方法的实现流程图；

图4为本实用新型的校准模型示意图；

图5为本实用新型的测试模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步详细说明：

参照图1，基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置，包括导轨1、固定支架2、包含gpib端口和测试端口的矢量网络分析仪3、同轴电缆4、导波传输结构5、计算机6、导波-同轴转换装置7、活动支架8以及滑动短路器9；

所述导轨1底座受力面积较大，保证在测试过程中固定在上方的装置不会抖动，设置有安装定位螺丝的定位孔，上表面设计有用于安装滚轮的滑动槽；

所述固定支架2通过定位孔将导轨1和导波传输结构5固定在一起，保证测试过程中导波传输结构5不会抖动；

所述矢量网络分析仪3，用于产生满足测试频率和功率要求的激励信号以及采集其测试端口处的反射幅度和相位信息；

所述同轴电缆4传输电磁波时损耗比较小，物理挤压或者扭曲变形时会改变电磁波的传播状态，造成内部的电磁波被反射回信号发送源；

所述导波传输结构5，采用波导或同轴的结构形式，用于放置待测材料，本实施例中采用易于放置待测材料的波导结构；

所述计算机6通过矢量网络分析仪3的gpib端口直接读取矢量网络分析仪3采集的反射系数，通过键盘输入的滑动短路器9中反射块92所处位置对应的刻度值计算滑动短路器9的反射系数，并对网络分析仪3采集的反射系数进行自检，用于计算待测材料的电磁参数；

所述导波-同轴转换装置7一端是同轴传输结构，一端是波导传输结构，用于将同轴端口转化为波导端口；

所述滑动的活动支架8上安装有沿导轨1上滑动槽滑动的滚轮，用于方便放置待测材料，并通过定位孔与滑动短路器9固定在一起，支撑滑动短路器9和导波-同轴转换装置7在同一高度；

所述滑动短路器9固定在活动支架8上，参照图2电磁参数测试装置中滑动短路器的结构示意图，包括一端封闭一端开口的导波传输线91、能够在导波传输线91内滑动的反射块92和能够读取反射块92位置对应刻度的千分尺93，其中导波传输线91采用波导或同轴的结构形式，千分尺93上标有刻度，用于显示反射块92的位置，转动千分尺93可以改变反射块92的位置。本实施例中导波传输线91采用与导波传输结构5相同结构的波导，反射块92位于导波传输线91的不同位置时，实现对穿过放置在导波传输结构5腔体内的待测材料在不同状态下电磁能量的反射。将滑动短路器9沿导轨1向后滑动，可以在不改变同轴电缆4物理状态的情况下在波导传输结构5中放入待测材料；

所述同轴电缆4的一端通过导波-同轴转换装置7与固定在固定支架2上的导波传输结构5的一个开口面连接，该同轴电缆4的另一端与矢量网络分析仪3的测试端口连接；所述计算机6与矢量网络分析仪3的gpib端口连接；所述滑动短路器9与导波传输结构5另一个开口面利用定位销钉和紧固螺栓连接。

参照图3，基于单端口多状态的材料电磁参数测试方法，包括如下步骤：

步骤1)对材料电磁参数测试装置进行初始化：

将材料电磁参数测试装置中的同轴电缆、导波-同轴转换装置以及导波传输结构等效为二端口误差网络，将材料电磁参数测试装置中的同轴电缆、导波-同轴转换装置、导波传输结构以及导波传输结构中放入的待测材料等效为二端口测试网络，将待测材料等效为二端口样品网络，每个二端口网络两端反射系数满足具有保圆性的分式线性变换表达式：

其中k、m和n为分式线性变换系数，г和гl分别为二端口网络输入端和输出端的反射系数；

本实施例中，待测材料前端的同轴电缆、导波-同轴转换装置以及导波传输结构等效为一系列变换网络的级联。由分式线性变换的性质可知，这些网络的级联本质上是多个分式线性变换的复合，而复合后的变换仍是分式线性变换。因此，每个二端口网络两端反射系数满足具有保圆性的分式线性变换表达式，误差网络两端同一方向的反射系数的关系由误差网络变换系数决定，测试系统的校准过程就是确定误差网络变换系数的过程，测试系统的测试过程就是确定样品网络变换系数的过程；

步骤2)计算机对端接滑动短路器的误差网络的反射系数进行自检：

步骤2a)当导波传输结构中未放入待测材料，且滑动短路器中的反射块位于导波传输线的m个不同位置时，计算机获取滑动短路器具有相同幅度不同相位的m个反射系数的实际值，以及误差网络幅度和相位均不同的m个反射系数的实际值，m≥4；

本实施例中，滑动短路器中的反射块位置改变时，会引起滑动短路器的反射系数的实际值г0和对应的端接滑动短路器的误差网络的反射系数的实际值г0'的相位发生变化，而滑动短路器反射系数的实际值г0的幅度保持不变，即г0组成滑动短路器反射系数圆。二端口误差网络两端的反射系数满足保圆性的分式线性变换表达式，因此，端接滑动短路器的误差网络的反射系数的实际值г0'组成误差网络反射系数圆；

本实施例中，m＝4，计算机通过矢量网络分析仪的gpib端口直接读取矢量网络分析仪采集的端接滑动短路器的误差网络反射系数的实际值г0'，通过键盘输入的滑动短路器中反射块的位置对应的刻度值计算滑动短路器反射系数的实际值г0。误差网络分式线性变换中有三个未知的误差网络分式线性变换系数，所以只需三个误差网络的反射系数的实际值和对应的三个滑动短路器的反射系数的实际值，就能计算出误差网络分式线性变换系数a、b和c的值，多获取一个误差网络的反射系数的实际值是为了对计算机获取的误差网络的反射系数进行自检，获取更多滑动短路器中的反射块位于导波传输线的不同位置时误差网络的反射系数的实际值是可行的；

步骤2b)计算机运用排列组合的方法，通过从误差网络的m个反射系数中每次选取三个不同的反射系数组成误差网络反射系数圆，共选取次，得到个误差网络反射系数圆，并计算每个误差网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差；

本实施例中，m＝4，计算机运用排列组合的方法，通过从误差网络的4个反射系数中每次选取三个不同的反射系数组成误差网络反射系数圆，共选取4次，得到4个误差网络反射系数圆，并计算每个误差网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差；

步骤2c)计算机判断每个误差网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差是否均大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤2a)，否则，执行步骤2d)；

步骤2d)计算机通过每次从误差网络的m个反射系数中任意选取的三个不同的反射系数的实际值，计算剩下的m-3个反射系数的理论值，共选取次，并判断每次计算的m-3个反射系数的理论值与的实际值的差的绝对值是否大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤2a)，否则，保存m个误差网络的反射系数的实际值和m个滑动短路器的反射系数的实际值；

本实施例中，计算机通过每次从误差网络的4个反射系数中任意选取的三个不同的反射系数的实际值，计算剩下的1个反射系数的理论值，共选取4次，并判断每次计算的1个反射系数的理论值与的实际值的差的绝对值是否大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤2a)，否则，保存4个误差网络的反射系数的实际值和m个滑动短路器的反射系数的实际值；

本实施例中，利用二端口误差网络具有保圆性的分式线性变换性质，分别对计算机获取的端接滑动短路器的误差网络反射系数进行自检，有效判别计算机获取的端接滑动短路器的误差网络的反射系数的准确性，避免了现有技术中不能对获取的原始数据的准确性进行判别的缺陷；

步骤3)计算机对端接测试网络的反射系数的实际值进行自检：

步骤3a)当导波传输结构中放入待测材料，且滑动短路器中的反射块位于导波传输线的n个不同位置时，计算机获取滑动短路器具有相同幅度不同相位的n个反射系数的实际值，以及测试网络幅度和相位均不同的n个反射系数的实际值，n≥4；

本实施例中，滑动短路器中的反射块位置改变时，会引起滑动短路器的反射系数的理论值г1、对应的端接滑动短路器的测试网络的反射系数的理论值г1'以及待测材料的反射系数的理论值г1”的相位发生变化，而滑动短路器反射系数的理论值г1的幅度保持不变，即г1组成理论滑动短路器反射系数圆。二端口测试网络和二端口样品网络两端的反射系数均满足保圆性的分式线性变换表达式，因此，端接滑动短路器的测试网络的反射系数的理论值г1'组成理论测试网络反射系数圆；

本实施例中，n＝4，且滑动短路器中的反射块位于波导中的4个位置可以与步骤(2a)实施例中的滑动短路器中的反射块位于波导中的4个位置不同，计算机通过矢量网络分析仪的gpib端口直接读取矢量网络分析仪采集的端接滑动短路器的测试网络反射系数的实际值г0'，通过键盘输入的滑动短路器中反射块的位置对应的刻度值计算滑动短路器反射系数的实际值г0。样品网络分式线性变换中有三个未知的测试网络分式线性变换系数，所以只需三个测试网络的反射系数的实际值和对应的三个滑动短路器的反射系数的实际值，就能计算出样品网络分式线性变换系数a、b和c的值，多获取一个样品网络的反射系数的实际值是为了对计算机获取的样品网络的反射系数进行自检，获取更多滑动短路器中的反射块位于导波传输线的不同位置时测试网络的反射系数的实际值是可行的；

步骤3b)计算机运用排列组合的方法，通过从测试网络的n个反射系数中每次选取三个不同的反射系数的实际值组成实际测试网络反射系数圆，共选取次，得到个实际测试网络反射系数圆，并计算每个测试网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差；

本实施例中，计算机运用排列组合的方法，通过从测试网络的4个反射系数中每次选取三个不同的反射系数的实际值组成实际测试网络反射系数圆，共选取4次，得到4个实际测试网络反射系数圆，并计算每个测试网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差；

步骤3c)计算机判断每个实际测试网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差是否均大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(3a)，否则，执行步骤(3d)；

步骤3d)计算机通过每次从测试网络的n个反射系数中任意选取的三个不同的反射系数的实际值，计算剩下的n-3个反射系数的理论值，共选取次，并判断每次计算的n-3个反射系数的理论值与的实际值的差的绝对值是否大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(3a)，否则，保存n个测试网络的反射系数的实际值和n个滑动短路器的反射系数的实际值；

本实施例中，计算机通过每次从测试网络的4个反射系数中任意选取的三个不同的反射系数的实际值，计算剩下的1个反射系数的理论值，共选取4次，并判断每次计算的1个反射系数的理论值与的实际值的差的绝对值是否大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(3a)，否则，保存4个测试网络的反射系数的实际值和4个滑动短路器的反射系数的实际值；

本实施例中，利用二端口测试网络具有保圆性的分式线性变换性质，分别对计算机获取的端接滑动短路器的测试网络反射系数进行自检，有效判别计算机获取的端接滑动短路器的测试网络的反射系数的准确性，避免了现有技术中不能对获取的原始数据的准确性进行判别的缺陷；

步骤4)计算机计算待测材料的反射系数的实际值：

步骤4a)计算机每次选取任意三个不同误差网络的反射系数的实际值以及对应的三个未放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值，共选取次，计算出组误差网络分式线性变换系数a、b和c的值并分别对个a、b和c的值求平均，得到平均误差网络分式线性变换系数和的值并存储；

本实施例中，分别对4个a、b和c的值求平均是获取最优的a、b和c的值，保证计算机获取的待测材料的反射系数的准确性。计算机第一次选取的三个未放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值为г01、г02、г03，对应的三个误差网络的反射系数的实际值为г'01、г'02、г'03，计算出的第一组误差网络分式线性变换系数为a1、b1和c1的值，其中：

共选取4次后共得到4组误差网络分式线性变换系数{a1、b1、c1}，{a2、b2、c2}，{a3、b3、c3}，{a4、b4、c4}，平均误差网络分式线性变换系数和的表达式：

参照图4校准模型示意图，计算机由获取的滑动短路器的反射块的位置对应的刻度计算г0和误差网络的反射系数的实际值г'0，计算平均误差网络分式线性变换系数和的值；

步骤4b)计算机通过平均误差网络分式线性变换系数和的值和n个测试网络的反射系数的实际值，计算待测材料的n个反射系数的实际值并存储；

本实施例中，计算待测材料的反射系数的实际值的计算公式：

本实施例中，矢量网络分析仪只能获取测试网络的反射系数的实际值г'1，而在样品网络分式线性变换系数计算中，需要确定待测材料两端的反射系数的实际值г”1和г1。计算机可由获取的滑动短路器的反射块的位置对应的刻度计算г1，因此，需要通过测试网络的反射系数的实际值г'1和平均误差网络分式线性变换系数和的值计算待测材料的反射系数的实际值г”1；

步骤5)计算机计算待测材料的电磁参数：

步骤5a)计算机每次选取任意三个不同待测材料的反射系数的实际值以及对应的三个放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值，共选取次，计算出组样品网络分式线性变换系数a、b和c的值，并分别对个a、b和c的值求平均，得到平均样品网络分式线性变换系数和的值并存储；

本实施例中，待测材料终端与滑动短路器紧密相接，因此三个放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值即是待测材料终端对应的三个反射系数实际值；

本实施例中，分别对4个a、b和c的值求平均是获取最优的a、b和c的值，保证计算机计算的待测材料的电磁参数的准确性，计算机第一次选取的三个放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值为г11、г12、г13，对应的三个样品网络的反射系数的实际值为г”11、г”12、г”13，计算出的第一组误差网络分式线性变换系数为a1、b1和c1的值，参照图5测试示意图，其中：

共选取4次后共得到4组误差网络分式线性变换系数，{a1、b1、c1}，

{a2、b2、c2}，{a3、b3、c3}，{a4、b4、c4}平均误差网络分式线性变换系数和的表达式：

参照图5测试模型示意图，计算机由获取的滑动短路器的反射块的位置对应的刻度计算г1，通过测试网络的反射系数的实际值г'1和平均误差网络分式线性变换系数和的值计算待测材料的反射系数的实际值г”1，利用待测材料两端的反射系数的实际值г”1和г1，最终得到平均样品网络分式线性变换系数和

步骤5b)计算机通过平均样品网络分式线性变换系数和的值计算待测材料的[s]参数，并通过待测材料的[s]参数计算待测材料的电磁参数，即待测材料的复磁导率μr和待测材料的复介电常数εr，其中，[s]参数中待测材料的源端反射系数s11、待测材料的终端反射系数s22、待测材料终端向源端的传输系数s12、源端向终端的传输系数s21表达式为：

本实施例中，待测材料的复磁导率μr和待测材料的复介电常数εr，计算公式分别为：

其中，为待测材料的归一化传播常数，c为空气的模式因子,c'为待测材料的模式因子,λ0为工作频率对应的自由空间波长，λc为导波截止波长,为待测材料的归一化导纳，zc为待测材料的特性阻抗表达式为：

其中，s11为待测材料的源端反射系数，s22为待测材料的终端反射系数，s12为待测材料终端向源端的传输系数，s21为源端向终端的传输系数。