一种箔条空气混合介电常数测量方法

1.本发明属于材料介电常数的微波测量分析技术领域，尤其涉及一种箔条空气混合介电常数测量方法。


背景技术：

2.目前，箔条因其低廉的价格，简单的制造过程以及优良的雷达干扰性能在现代海上电子战争中应用较为广泛，作为轻型的空中反射目标云可以在一定空间范围内受到交变电磁场作用下产生感应交变电流从而二次辐射电磁波，对目标雷达起到无源干扰的作用。箔条干扰物使用过程无需对雷达信息进行分析了解，但雷达设备的研究正在向微波阶段扩展，抗干扰性能逐渐加强，对箔条干扰物的研究也应该进一步深入，并在此基础上研制新型的箔条材料。目前市面上使用的箔条主要以玻璃纤维为基体涂覆金属箔制成，或者直接使用金属丝和涂覆金属的介质，现阶段对箔条干扰性能的研究主要是从运动扩散特性，电磁散射特性，电波传播特性三方面入手，对箔条统计相对介电常数的研究较少，若将其视作介质材料研究其电性能特性，可以为箔条材料的研究和应用提供参考数据。
3.研究电介质材料的电特性参数无论在材料学还是电磁学领域都具有广泛的应用前景和显著的学术价值。在材料学领域，箔条是使用时间最长，应用最为广泛的无源干扰物，现如今的箔条材料大多使用玻璃纤维保持刚性，在极细的玻璃纤维载体上镀均匀的金属薄层，使其在质量轻，分散性好，成本低，便于加工的基础上拥有良好的电性能，所以测量箔条的介电常数对于新型箔条材料的研究和发展有重要的意义。通过这些研究，可以了解介质的微观结构的特点和规律，便于对其分子结构或物质结构的某些规律特点做深入研究；同时通过其特性的研究，使我们有可能获得新型的，满足技术要求的一些介质材料。在电磁学领域，通过介电常数的测量，可以了解到电磁波与介质间的作用关系和场变化，通过它将介质极化的宏观现象与介质的微观结构联系起来。关于箔条空气混合介质的介电常数测量的研究目前来说为空白，针对箔条空气混合介电常数的实验测量步骤也鲜有具体的介绍，了解箔条空气混合介电常数的测量对于箔条的无源干扰性能研究有很重要的意义。因此研究箔条的介电常数的测量方法，实现高效准确的测量，对于后续箔条材料的应用和研究具有十分重要的现实意义。
4.对于材料介电常数的研究有建模以及测量两种方法，建模可以更好地把握介电常数的性质，方便公式化的学习，测量可以得到实测数据，结果更加真实准确。本发明的研究重点在于实验测量，这对于介质的电性能研究是最直接有效的方法，同时通过实验方法得到的介电常数的数据具有更高的实用价值。关于介电常数的测量主要集中在微波阶段，测量方法有自由空间法，探针法，谐振腔法，传输线法，波导传输/反射法。自由空间法用于大面积开放测量，主要有反射法和透射法两种，但反射法在测量过程中由于箔条样品较少无法铺满金属板，导致散射或者二次反射，无法准确测量单次反射的值，测量精度不高；透射法在箔条的位置校准方面存在困难，并且由于箔条体积较小，测量过程中会产生绕射等现象。探针法的测量虽然测量结果稳定，精度较高，但其测量的结果只能在一定范围内。谐振
腔法的样品制备较难，造价较高，设计复杂，也不适用于箔条介电常数的测量。传输线法在样品的加工处理上会造成内在属性的改变，会使得测量结果与实际结果存在偏差。波导传输/反射的方法相较于前几种方法测量结果精度高，容易计算，样品放置产生的误差可以通过校准来解决，所以本次测量采用波导法测量，具体采用矩形波导法进行测量。
5.波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，测量两个端口的s参数，即s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数。但是现阶段关于箔条空气混合介电常数的测量实验的具体实验方案稀缺，实际测量过程中出现许多误差和困难，如何设计实验以及实际操作是本发明的重中之重。实验测量过程中测试的s值，并非待测样品端面的散射参数，这就需要增加同轴波导转换器的硬件校准过程；实验过程中对于箔条的剪裁，放置以及封装也是技术难点。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：利用矩形波导法测量箔条空气混合介电常数的具体实验的设计方案以及详细的实验流程的现阶段为空白，对于箔条空气混合介电常数的理论分析较少。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：
8.(1)矩形波导法测量箔条空气混合介电常数的具体实验设计。
9.(2)实验具体步骤以及操作的详细流程记述。
10.(3)矩形波导法测量散射常数并反演介电常数的理论分析。
11.解决以上问题及缺陷的意义为：填补箔条云相对介电常数测量的实验设计空白，提出一种分析方法，为后续的实验测量奠定一定的理论基础，促进电磁测量实验的发展。实验测量为箔条材料的研究以及研制提供了切实可靠的实测数据，对材料学的研究有重要的意义。


技术实现要素：

12.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种箔条空气混合介电常数测量方法，尤其涉及一种矩形波导法测量箔条空气混合介电常数的实验方案的设计及测量系统。
13.本发明是这样实现的，一种箔条空气混合介电常数测量方法，所述箔条空气混合介电常数测量方法包括以下步骤：
14.步骤一，选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确。提前准备好实验器材和检查线路的连接为后续实验的测量提供了便利并且排除了可能存在的安全隐患；
15.步骤二，将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数，连接同轴线以及同轴波导转换器到矢量网络网络分析仪端口处的步骤目的在于将其看成一个整体，简化了后续的校准过程；
16.步骤三，开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，消除实验过程中由于实验元件损耗产生的误差。该校准步骤更为简便，精简了校准矢量网络分析仪，同轴线，同轴线到测量波导端面的过程，适用于采取矩形波导法测量实验的校准过程；
17.步骤四，利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反
射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数，该反演推导理论研究非常成熟，给该发明提供了强有力的理论基础；
18.步骤五，将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响，该验证过程是本实验的重点所在，通过实验数据证明聚丙烯膜材料对实验测量过程影响较小，利用聚丙烯膜材料封装介质材料的实验才得以进行，排除了由于封装过程带来的误差；
19.步骤六，使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验的可行性。对已有经验模型的混合介质的介电常数进行测量给箔条空气混合介质的测量提供了思路，并且验证了矩形波导法测量混合介质的介电常数的可行性；
20.步骤七，对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数来控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据，该过程通过控制变量法来改变箔待测介质，观察研究不同情形下混合介质的介电常数的数据，从中找寻箔条空气混合介质的介电常数规律，为后续研究其散射特性提供数据支撑；
21.步骤八，分析实验数据图，进行实验误差分析，制作实验数据分析图及数据对比图，实验结果更加直观明了，便于研究其存在的规律和分析实验过程中存在的误差，对后续的改进提供了思路。
22.进一步，步骤一中，所述选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确，包括：
23.(1)实验测量选择开阔区域，避免其他仪器对该测量系统造成的干扰；
24.(2)该测量系统包括矢量网络分析仪一台，计算机一台，双绞线电缆一根，同轴线两根，校准件一套，矩形波导件一套，聚丙烯膜材料一卷，土壤若干，箔条若干，剪刀一把，尺子一把，镊子；使用双绞线电缆将计算机rj45接口与矢量网络分析仪的lan口相连；
25.(3)在连接电源前注意矢量网络分析仪的保护，要注意最大承受功率，谨防高功率损坏端口，接通电源，打开矢量网络分析仪和计算机，使用计算机上的测量软件检查线路是否接通，接通完成后即可进行实验测量。
26.进一步，步骤二中，所述将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数，包括：
27.将同轴线连接到矢量网络分析仪端口处，打开计算机测试软件设置参数，选择波段，设置起始频率，终止频率，测量点数，并且在矢量网络分析仪上确认设置的参数一致。
28.进一步，步骤三中，所述开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，消除实验过程中实验元件损耗产生的误差，包括：
29.(1)在矢量网络分析仪上选择校准键，选择校准类型为非向导校准，使用机械校准件进行响应校准，单端口校准，双端口校准，在非向导校准中选择全双端口trl，忽略隔离两个按键，进行下一步；
30.(2)根据指示按顺序进行直通，端口1反射，端口2反射，线/匹配校准；
31.(3)在同轴线两端分别接上同轴波导转换器，使用销钉将同轴波导转换器连接在一起，连接时销钉斜对角相对插入孔隙中；连接完成后点击直通按键，点击thru按键，仪器
开始校准，完成后按确定按键，进行下一步校准；
32.(4)在同轴波导转换器两端接入短路片，使用销钉将器件连接起来，点击端口1反射按键，点击thru按键，校准完成后按确定按键，进行下一步校准；
33.(5)端口2反射步骤同(4)，完成后进行下一步校准；
34.(6)将矩形波导片连接在同轴波导转换器两端，连接时注意对应矩形的位置，按线/匹配校准按键，点击bj-220，即λ/4 line按键，校准完成后按确定按键，校准步骤完成；
35.(7)退出导向时，校准集将会被保存到通道1中，可长期使用。
36.进一步，步骤四中，所述利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数，包括：
37.当电磁波在波导传输线中传播时，其传输特性与位置无关，只会在介质分界表面处发生反射与透射，vi表示入射电压，vr表示反射电压，v
t
表示总的透射电压，以下关系成立，也是散射参数的定义，即：
[0038]vr
＝s
11
·vi
；
[0039]vt
＝s
21
·vi
；
[0040]
若令入射电压为1，则散射参数就表示为总的入射电压vr和总的透射电压v
t
，即：
[0041]s11
＝vr；
[0042]s21
＝v
t
；
[0043]
空气与介质分界面的单次反射系数为γ，被测介质两表面的传输系数为t，可以推导出散射参数大小，即：
[0044][0045][0046]
设定：
[0047]v1
＝s
21
+s
11
；
[0048]v2
＝s
21-s
11
；
[0049][0050]
推导得到：
[0051][0052][0053][0054]
已知材料相对复磁导率μr和相对复介电常数εr与传播常数γ关系为：
[0055][0056]
其中，μr是材料的相对复磁导率，εr是相对复介电常数，是被测样品段的传播常数，λ0为空气中的工作波长，λc是波导传输线的截止波长，j为虚数单位。
[0057]
d是被测样品的厚度，被测样品的传输系数与传播常数的关系为：
[0058]
t＝e-γd
；
[0059]
通过以上式子推导出：
[0060][0061][0062][0063]
其中，z0表示传输线中空气区的特性阻抗，z表示被测介质样品段的特性阻抗。
[0064]
反射系数γ表达为：
[0065][0066]
得出被测介质的相对复磁导率μr和相对复介电常数εr为：
[0067][0068][0069]
式中，
[0070][0071]
并且有：
[0072][0073]
其中，λg为被测样品的波导波长，对于同轴传输线的测量系统，截止波长λc＝∞，对于基于矩形波导的测量系统，截止波长λc＝2a。
[0074]
基于nrw传输/反射算法原理，打开计算机测试软件设置参数为介电常数的测量，双向测试，到a端口，到b端口的距离都设置为0.000mm，样品厚度设置为4.500mm，点击测量，观察面板上出现的数据图，测试结果为空气的介电常数实部为1，虚部为0，说明校准成功，
保存此时测量的空气介电常数实部与虚部数据。
[0075]
进一步，步骤五中，所述将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响，包括：
[0076]
(1)测量矩形波导的尺寸，将聚丙烯膜材料剪裁成两个不同大小的矩形，互相粘连，保证用聚丙烯材料将矩形孔径完成的同时可以粘连在矩形波导表面，避免后续进行箔条空气混合介质介电常数的实验测量时箔条材料粘连在聚丙烯材料表面；
[0077]
(2)将矩形波导片的两端都用聚丙烯膜材料进行封装，将矩形波导片连接在同轴波导转换器上，使用计算机中的测试软件对聚丙烯膜材料封装后的介电常数进行测量，记录数据，对比测量的空气介电常数的实部虚部，排除聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响。
[0078]
步骤六中，所述使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验对混合介质介电常数测量的可行性，包括：
[0079]
打开封装好的矩形波导，将待测土壤填充入矩形波导中，填充过程中需要将土壤平铺到波导中，尽可能填充满波导，由于聚丙烯膜材料具有弹性，需注意填充的土壤不超出聚丙烯膜材料封装区域，封装好的矩形波导片连接至同轴波导转换器，进行土壤空气混合介电常数的测量，记录数据，将测试好的数据与土壤经验模型中的数据作对比，验证实验对混合介电常数测量的可行性。
[0080]
进一步，步骤七中，所述对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数来控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据，包括：
[0081]
(1)取出测试过的土壤样品，将矩形波导片周围处理干净，恢复成土壤测试前的样子；
[0082]
(2)进行介质试样的制备：尽可能仔细地加工，保持介质试样的平展性，将箔条剪裁为长条，顺着矩形波导长的方向放置，分别填充2，4，6，8，10，12，14，16根箔条来进行测试，记录实验数据，观察数据规律。
[0083]
步骤八中，所述分析实验数据图，反思实验过程中造成实验误差的可能，包括：
[0084]
处理实验数据，绘制频率与介质介电常数的关系图，对比不同填充率对箔条空气混合介电常数的影响，并且分析实验过程中可能存在的误差对实验数据的影响。
[0085]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的箔条空气混合介电常数测量方法的箔条空气混合介电常数测量系统，所述箔条空气混合介电常数测量系统，包括：
[0086]
设备连接模块，用于整个矩形波导法测试介质的介电常数系统，使用双绞线电缆将计算机与矢量网络分析仪相连，用电源线连接电源给矢量网络分析仪供电，将同轴线连接到矢量网络分析仪的两个端口，并在端口处连接两个同轴波导转换器，将介质置于矩形波导中，将同轴波导转换器连接起来，设备连接成通路；
[0087]
设备校准模块，用于测试系统搭建完成后，校准系统中存在的测量误差；
[0088]
目标测量模块，用于测量装载于矩形波导中介质的散射参数，设置起始频率，终止频率，测试点数；
[0089]
数据采集模块，用于测试不同的介质材料的散射常数，通过测试软件得出介电常
数数据，并通过改变介质材料的填充率来进行测试，保存数据用于后续图像分析；
[0090]
图形处理模块，用于采集到的数据的图像化处理，直观分析不同条件对介质介电常数数据的影响。
[0091]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0092]
选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确；将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数；开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，消除实验过程中由于实验元件损耗产生的误差；利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数；
[0093]
将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响；使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验的可行性；对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数来控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据；分析实验数据图，进行实验误差分析。
[0094]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0095]
选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确；将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数；开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，消除实验过程中由于实验元件损耗产生的误差；利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数；
[0096]
将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响；使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验的可行性；对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数来控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据；分析实验数据图，进行实验误差分析。
[0097]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的箔条空气混合介电常数测量系统。
[0098]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的箔
条空气混合介电常数测量系统，涉及波导法测量介质材料参数的方法，具体涉及矩形波导法测量箔条空气混合介电常数的实验方案的设计及由s参数反演介电常数的分析方法，可以提供箔条空气混合介电常数的数据，对于后续箔条干扰物的传播特性研究提供了最真实有效的数据，为后续新型材料的研究奠定了数据基础，并且从实测数据中发现了关于混合介质的介电常数的规律，为混合介质的研究提供数据证明。
[0099]
本发明利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数，在矩形波导内填充不同的箔条数控制填充率，对箔条空气的混合介电常数进行了测量，同时解决了实验中的校准问题，简化了校准步骤，给实验测量提供了一种新的思路，弥补了实验流程的空白。本发明获取了箔条空气混合介电常数的具体数据，对于后续箔条干扰物的传播特性研究提供了最真实有效的数据，为后续新型材料的研究奠定了数据基础。
[0100]
本发明依据矩形波导法测量物质介电常数的测量设备，采用控制变量法，通过选用不同填充率对箔条空气的混合介电常数进行了测量，给出了矩形波导法测量物质介电常数的具体实验设计以及实验步骤，同时解决了实验中的校准问题，弥补了实验流程的空白。本发明利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数，并且得到了箔条空气混合介电常数的具体数据。
附图说明
[0101]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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。
[0102]
图1是本发明实施例提供的箔条空气混合介电常数测量方法流程图。
[0103]
图2是本发明实施例提供的箔条空气混合介电常数测量系统结构框图；
[0104]
图中：1、设备连接模块；2、设备校准模块；3、目标测量模块；4、数据采集模块；5、图形处理模块。
[0105]
图3是本发明实施例提供的波导法测量系统结构图。
[0106]
图4是本发明实施例提供的测试软件波段参数设置示意图。
[0107]
图5是本发明实施例提供的测试软件频率以及测量点数设置示意图。
[0108]
图6是本发明实施例提供的矩形波导校准流程图。
[0109]
图7是本发明实施例提供的实测空气介电常数实部随频率变化关系图。
[0110]
图8是本发明实施例提供的实测空气介电常数虚部随频率变化关系图。
[0111]
图9是本发明实施例提供的使用聚丙烯材料封装的波导片示意图。
[0112]
图10是本发明实施例提供的矩形波导法测量介电常数的实测图。
[0113]
图11是本发明实施例提供的封装前后空气介电常数实部数据对比图。
[0114]
图12是本发明实施例提供的封装前后空气介电常数虚部数据对比图。
[0115]
图13是本发明实施例提供的土壤空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0116]
图14是本发明实施例提供的土壤空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0117]
图15是本发明实施例提供的填充2根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0118]
图16是本发明实施例提供的填充2根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0119]
图17是本发明实施例提供的填充4根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0120]
图18是本发明实施例提供的填充4根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0121]
图19是本发明实施例提供的填充6根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0122]
图20是本发明实施例提供的填充6根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0123]
图21是本发明实施例提供的填充8根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0124]
图22是本发明实施例提供的填充8根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0125]
图23是本发明实施例提供的填充10根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0126]
图24是本发明实施例提供的填充10根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0127]
图25是本发明实施例提供的填充12根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0128]
图26是本发明实施例提供的填充12根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0129]
图27是本发明实施例提供的填充14根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0130]
图28是本发明实施例提供的填充14根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
[0131]
图29是本发明实施例提供的填充16根箔条时箔条空气混合介电常数实部随频率变化关系图。
[0132]
图30是本发明实施例提供的填充16根箔条时箔条空气混合介电常数虚部随频率变化关系图。
具体实施方式
[0133]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0134]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种箔条空气混合介电常数测量方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0135]
如图1所示，本发明实施例提供的箔条空气混合介电常数测量方法包括以下步骤：
[0136]
s101，选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析
仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确；
[0137]
s102，将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数；
[0138]
s103，开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，消除实验过程中由于实验元件损耗产生的误差；
[0139]
s104，利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数；
[0140]
s105，将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响；
[0141]
s106，使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验的可行性；
[0142]
s107，对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数来控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据；
[0143]
s108，分析实验数据图，进行实验误差分析。
[0144]
如图2所示，本发明实施例提供的箔条空气混合介电常数测量系统包括：
[0145]
设备连接模块1，用于整个矩形波导法测试介质的介电常数系统，使用双绞线电缆将计算机与矢量网络分析仪相连，用电源线连接电源给矢量网络分析仪供电，将同轴线连接到矢量网络分析仪的两个端口，并在端口处连接两个同轴波导转换器，将介质置于矩形波导中，将同轴波导转换器连接起来，设备连接成通路；
[0146]
设备校准模块2，用于测试系统搭建完成后，校准系统中存在的测量误差；
[0147]
目标测量模块3，用于测量装载于矩形波导中介质的散射参数，设置起始频率，终止频率，测试点数；
[0148]
数据采集模块4，用于测试不同的介质材料的散射常数，通过测试软件得出介电常数数据，并通过改变介质材料的填充率来进行测试，保存数据用于后续图像分析；
[0149]
图形处理模块5，用于采集到的数据的图像化处理，直观分析不同条件对介质介电常数数据的影响。
[0150]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0151]
本发明是这样实现的，一种箔条空气混合介电常数的具体测量实验方案，所述箔条空气混合介电常数的具体测量实验方案，包括：
[0152]
步骤一，选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确；
[0153]
步骤二，将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数；
[0154]
步骤三，开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，消除实验过程中由于实验元件损耗产生的误差；
[0155]
步骤四，利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数；
[0156]
步骤五，将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响；
[0157]
步骤六，使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验的可行性；
[0158]
步骤七，对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数来控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据；
[0159]
步骤八，分析实验数据图，进行实验误差分析。
[0160]
本发明实施例提供的步骤一中，选定实验场地，准备实验仪器以及待测材料，连接计算机和矢量网络分析仪，接通电源给设备供电，检查线路的连接是否正确，具体为：
[0161]
(1)本次实验测量应选择开阔区域，避免其他仪器对该测量系统造成干扰。
[0162]
(2)实验仪器以及待测材料包括矢量网络分析仪一台，计算机一台，双绞线电缆一根，同轴线两根，校准件一套，矩形波导件一套，聚丙烯膜材料一卷，土壤若干，箔条若干，剪刀一把，尺子一把，镊子。
[0163]
(3)使用双绞线电缆将计算机rj45接口与矢量网络分析仪的lan口相连；在连接电源前注意矢量网络分析仪的保护，要注意最大承受功率，谨防高功率损坏端口，接通电源，打开矢量网络分析仪和计算机，使用计算机上的测量软件检查线路是否接通，接通完成后即可进行实验测量，波导法测量系统结构如图3所示。
[0164]
本发明实施例提供的步骤二中，将同轴线连接到矢量网络分析仪的端口处，打开计算机测量软件设置参数，具体为：
[0165]
(1)将同轴线连接到矢量网络分析仪端口处，打开计算机测试软件设置参数，选择波段，如图4所示。
[0166]
(2)设置起始频率，终止频率，测量点数，如图5所示，并且在矢量网络分析仪上确认设置的参数一致。
[0167]
本发明实施例提供的步骤三中，开始校准，将矢量网络分析仪两端口散射参数校准到测量波导的两个端面，矩形波导校准流程图如图6所示，消除实验过程中由于实验元件损耗产生的误差，具体为：
[0168]
(1)在矢量网络分析仪上选择校准键，选择校准类型为非向导校准(使用机械校准件进行响应校准，单端口校准，双端口校准)，在非向导校准中选择全双端口trl，忽略隔离两个按键，进行下一步。
[0169]
(2)根据指示按顺序进行直通，端口1反射，端口2反射，线/匹配校准。
[0170]
(3)在同轴线两端分别接上同轴波导转换器，使用销钉将同轴波导转换器连接在一起，注意连接时销钉斜对角相对插入孔隙中，这样连接会减少由于器件连接不紧密造成的误差，连接完成后点击直通按键，点击thru按键，仪器开始校准，完成后按确定按键，进行下一步校准。
[0171]
(4)在同轴波导转换器两端接入短路片，使用销钉将器件连接起来，点击端口1反射按键，点击thru按键，校准完成后按确定按键，进行下一步校准；
[0172]
(5)端口2反射步骤同(4)，完成后进行下一步校准。
[0173]
(6)将矩形波导片连接在同轴波导转换器两端，连接时注意对应矩形的位置，按
线/匹配校准按键，点击bj-220(λ/4line)按键，校准完成后按确定按键，校准步骤完成。
[0174]
(7)退出导向时，校准集将会被保存到通道1中，可以长期使用。
[0175]
本发明实施例提供的步骤四中，利用波导法测介电常数的实质是将待测样品作为二端口网络，矢量网络分析仪测试的数据为介质的散射参数即两个端口的s参数s
11
，s
12
，s
21
，s
22
，利用nrw传输/反射法的散射方程来推导出待测样品的介电常数，具体为：
[0176]
当电磁波在波导传输线中传播时，其传输特性与位置无关，只会在介质分界表面处发生反射与透射，vi表示入射电压，vr表示反射电压，v
t
表示总的透射电压，以下关系成立，也是散射参数的定义，即：
[0177]vr
＝s
11
·vi
[0178]vt
＝s
21
·vi
[0179]
若令入射电压为1，则散射参数就表示为总的入射电压vr和总的透射电压v
t
，即：
[0180]s11
＝vr[0181]s21
＝v
t
[0182]
空气与介质分界面的单次反射系数为γ，被测介质两表面的传输系数为t，可以推导出散射参数大小，即：
[0183][0184][0185]
为了运算简单，设定：
[0186]v1
＝s
21
+s
11
[0187]v2
＝s
21-s
11
[0188][0189]
可以推导出：
[0190][0191][0192][0193]
已知材料相对复磁导率μr和相对复介电常数εr与传播常数γ关系为：
[0194][0195]
其中，μr是材料的相对复磁导率，εr是相对复介电常数，是被测样品段的传播常数，λ0为空气中的工作波长，λc是波导传输线的截止波长，j为虚数单位。
[0196]
d是被测样品的厚度，被测样品的传输系数与传播常数的关系为：
[0197]
t＝e-γd
[0198]
通过以上式子推导出：
[0199][0200][0201][0202]
其中，z0表示传输线中空气区的特性阻抗，z表示被测介质样品段的特性阻抗。
[0203]
反射系数γ可以表达为：
[0204][0205]
得出被测介质的相对复磁导率μr和相对复介电常数εr为：
[0206][0207][0208]
式中，
[0209][0210]
并且有：
[0211][0212]
其中，λg为被测样品的波导波长，对于同轴传输线的测量系统，截止波长λc＝∞，对于基于矩形波导的测量系统，截止波长λc＝2a。
[0213]
综上所述即为nrw传输/反射算法原理，打开计算机测试软件设置参数为介电常数的测量，双向测试，到a端口，到b端口的距离都设置为0.000mm，样品厚度设置为4.500mm，点击测量，观察面板上出现的数据图，保存此时测量的空气介电常数实部与虚部数据，空气的介电常数实部理论值为1，虚部理论值为0，实测空气的介电常数实部与频率变化关系如图7所示，实测空气的介电常数虚部与频率变化关系如图8，实测的空气的介电常数实部均值为1.0014，虚部均值为-0.0002，与空气介电常数理论值相差较少，说明校准成功。
[0214]
本发明实施例提供的步骤五中，将聚丙烯膜材料贴于矩形波导表面，将矩形波导中的空气进行封装，测量在此条件下的介电常数，记录保存数据，对比无封装的空气的介电常数数据，验证聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法没有影响，具体为：
[0215]
(1)测量矩形波导的尺寸，将聚丙烯膜材料剪裁成两个不同大小的矩形，互相粘连，保证用聚丙烯材料将矩形孔径完成的同时可以粘连在矩形波导表面，避免后续进行箔
条空气混合介质介电常数的实验测量时箔条材料粘连在聚丙烯材料表面。
[0216]
(2)将矩形波导片的两端都用聚丙烯膜材料进行封装，如图9所示，将矩形波导片连接在同轴波导转换器上，如图10所示，使用计算机中的测试软件对聚丙烯膜材料封装后的介电常数进行测量，记录数据，对比无封装测量的空气介电常数的实部与虚部。
[0217]
介电常数实部与频率变化关系如图11所示，介电常数虚部与频率变化关系如图12所示，封装后的空气的介电常数实部均值为1.0189，虚部均值为-0.0002，与无封装测试的空气介电常数值相差较少，从而排除聚丙烯膜材料对矩形波导法测量介质介电常数的方法的影响。
[0218]
本发明实施例提供的步骤六中，使用聚丙烯膜材料对土壤进行封装，测量土壤空气混合介电常数，记录保存数据，查询现有经验模型，验证土壤介电常数数据的准确性，证明实验对混合介质介电常数测量的可行性，具体为：
[0219]
打开封装好的矩形波导，将待测土壤填充入矩形波导中，填充过程中需要将土壤平铺到波导中，尽可能填充满波导，由于聚丙烯膜材料具有弹性，需注意填充的土壤不超出聚丙烯膜材料封装区域，封装好的矩形波导片连接至同轴波导转换器，进行土壤空气混合介电常数的测量，记录数据，将测试好的数据与土壤经验模型中的数据作对比。
[0220]
介电常数实部数据对比如图13所示，介电常数虚部数据对比如图14所示，干土壤的介电常数实部的经验值为4，空气的介电常数实部经验值为1，本次测量的土壤空气混合介电材料的介电常数实部的均值为2.0729，数据在经验值范围内；干土壤的介电常数虚部一般小于0.05，空气介电常数虚部为0，本次测量的土壤空气混合介电材料的介电常数的虚部均值为0.4671，数据在经验值范围内,土壤空气混合数据验证了实验对混合介电常数测量的可行性。
[0221]
本发明实施例提供的步骤七中，对箔条材料进行剪裁，控制箔条的条数控制填充率，使用聚丙烯膜材料进行封装，进行箔条空气混合介电常数的测量，记录保存数据，具体为：
[0222]
取出测试过的土壤样品，将矩形波导片周围处理干净，恢复成土壤测试前的样子，进行介质试样的制备：尽可能仔细地加工，保持介质试样的平展性，将箔条剪裁为长条，顺着矩形波导长的方向放置，分别填充2，4，6，8，10，12，14，16根箔条来进行测试，记录实验数据，观察数据规律。箔条空气混合介电常数的实部虚部随频率变化关系图如图15～30所示。表1是填充率箔条空气混合介电常数实部虚部的均值。
[0223]
表1填充率箔条空气混合介电常数实部虚部的均值
[0224]
填充箔条数混合介电常数实部均值混合介电常数虚部均值20.964900.0036940.972310.0401261.168300.6564580.996430.19336101.055720.66778122.404730.24253142.419520.30911162.349060.43057
[0225]
根据实验数据表明，在一定范围内增加箔条的数量，箔条空气混合介电常数实部和虚部都会增大；不同填充率条件下介电常数的实部和虚部呈现出规律性变化；并且在测试过程中发现混合介电常数的虚部出现了负值的情况，这对于新型材料的研究提供了重要的数据。
[0226]
本发明实施例提供的步骤八中，进行实验误差分析，具体为：
[0227]
处理实验数据，绘制频率与介质介电常数的关系图，对比不同填充率对箔条空气混合介电常数的影响，并且分析实验过程中可能存在的误差对实验数据的影响。
[0228]
实验过程中由于箔条特别细小，在放置过程中箔条只能尽可能拉伸平整，可能会导致实验数据的误差。
[0229]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。
[0230]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。