一种基于时域分析法的介质厚度估计方法

1.本发明属于微波测量技术领域，尤其是一种基于时域分析法的介质厚度估计方法。


背景技术：

2.矢量网络分析仪(vna)是一种精密的综合性微波测量仪器，它能够测量单端口网络或多端口网络的散射参数(s参数)，矢量网络分析仪往往采用扫频的方式测量被测器件(dut)的s参数频域数据(包括幅度特性和相位特性)，然后通过内部的运算模块计算它的阻抗参数，导纳参数，传输参数等数据，但是这些数据均为频域数据。很多场景下，例如对器件特性的不连续性进行检测时，往往需要判断不连续点的位置或多径传输的问题，观测其s参数的时域数据可以非常直观的看到dut的特性。矢量网络分析仪的时域测量技术正是该方法的应用，该技术是基于傅里叶变换理论，采用离散傅里叶变换实现频域数据和时域数据的转换。
3.常规时域分析法采用时域选通法对不连续点的时域波形进行开窗处理，再转换至频域计算反射系数的模值，再由平面波对理想介质分界平面的垂直入射场景下反射系数与波阻抗的关系进而推算介质的介电常数。再由介电常数结合时域不连续点的时间差计算得到介质的厚度，但是此方法的误差因素较多，首先该方法受测试带宽影响较大，带宽不足会导致时域不连续点波形发生交叠，导致无法进行时域选通。并且在时频变换过程中为了减小旁瓣，振铃效应等影响，会对信号加不同衰减系数的窗函数，关于窗的选择也是误差的来源之一。计算时域不连续点的时间差也会存在时间读取的误差。如果介质是多层介质或者有损介质，则计算误差和计算难度会大大提升，计算精度也会降低。


技术实现要素：

4.本发明提出一种基于时域分析法的介质厚度估计方法,采用矢量网络分析仪测量两个测试系统dut的s参数作为参照，将两组数据分别扣除天线驻波后做除法运算，然后将数据转换到时域，通过对比分析计算介质的厚度。本发明旨在利用新增加的对照组测试系统，结合数字信号处理相关理论，在介质相关参数未知的情况下，对比分析计算出介质的厚度。
5.为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
6.一种基于时域分析法的介质厚度估计方法，包括如下步骤：
7.(1)设置对照组测试系统，通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
8.(2)设置介质厚度测试系统，通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
9.(3)测量天线驻波；
10.(4)反射系数s11频域数据处理
11.将介质厚度测试系统的s11频域数据扣除天线驻波后的数据，除以对照组测试系统的s11频域数据扣除天线驻波的数据，得到s
11div
；
12.(5)s11时频变换计算介质厚度
13.根据步骤(4)得到的s
11div
，转换到时域，测量时间观测范围终点的时移t0；根据时移大小即可计算出介质厚度；
14.(6)提高介质厚度测量精度
15.采用线性调频逆z变换，提高时间分辨精度，得到更加精确的时移t0，从而改善介质厚度的精度。
16.作为优选方式，步骤(1)进一步为：
17.(1)设置对照组测试系统
18.对照组测试包括矢量网络分析仪、聚束天线、金属板；矢量网络分析仪连接聚束天线的校准处，即馈源接收端口，聚束天线垂直于金属板摆放；通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
19.作为优选方式，步骤(2)进一步为：
20.(2)设置介质厚度测试系统
21.介质厚度测试系统包括矢量网络分析仪、聚束天线、待测介质板、金属板；
22.矢量网络分析仪连接聚束天线的校准处，即馈源接收端口，待测介质板背后紧贴金属板，聚束天线垂直于介质板摆放；聚束天线到金属板的距离和对照组测试系统保持一致；通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
23.作为优选方式，步骤(3)进一步为：
24.(3)测量天线驻波
25.通过矢量网络分析仪测试聚束天线在无待测介质板和金属板时的反射系数，即天线驻波记为s
11sw
。
26.作为优选方式，步骤(4)进一步为：
27.(4)反射系数s11频域数据处理
28.经严格的电磁场理论公式推导得：
[0029][0030]
式中代表为校准到介质表面的反射系数，代表真空中传输距离d即介质厚度所带来的相移，s
11div
即为待分析数据；
[0031]
根据以上公式将介质厚度测试系统的s11频域数据扣除天线驻波后的数据，除以对照组测试系统的s11频域数据扣除天线驻波的数据得到s
11div
。
[0032]
作为优选方式，步骤(5)进一步为：
[0033]
(5)s11时频变换计算介质厚度
[0034]
通过matlab将待分析的频域数据s
11div
转换到时域进行分析：测量的第一个不连续点的时移t0；这个时移的物理意义即为电磁波在真空中传播两倍介质厚度所耗时间；
根据时移大小即可计算出介质厚度；即介质厚度d＝c*t0/2，c为真空中电磁波的传播速度。
[0035]
作为优选方式，步骤(6)进一步为：
[0036]
(6)提高介质厚度测量精度
[0037]
采用线性调频逆z变换，将待分析的频域数据s
11div
的时域观测范围终点附近不连续点处进行局部放大，用来提高时间分辨精度，得到更加精确的时移t0，从而改善介质厚度的精度。
[0038]
作为优选方式，步骤(5)中，通过matlab将待分析的频域数据s
11div
转换到时域进行分析，具体为：
[0039]
针对校准在介质表面的反射系数第一个不连续处即第一层反射的时间位置理论上位于原点，根据步骤(4)的公式(1)，做除法对照处理后的数据s
11div
，其第一层反射的时间位置理论上则位于原点左移一段时间，这个时间即为电磁波在真空中传播两倍介质厚度所耗时间，因此测量第一层反射的时移即可计算介质的厚度，所述第一层反射的时移即为测量时间观测范围终点左移的时间，利用该时间差，光速和介质厚度的关系则可计算得到介质的厚度。
[0040]
本发明的有益效果为：本发明的方法提供了一种新的时域分析s参数计算介质厚度的方法，该方法增加了对照组实验进行对比分析计算，避免了传统时域分析法时域选通带来的误差，误差来源仅为时间差读取的精度，该精度可由chirp-z逆变换进行优化。并且本方法跳过了介电常数的计算，直接得到介质的厚度，不再考虑介质本身的组成，在介质有损或者介质多层的情况下也能较为精准的计算出介质的厚度。
附图说明
[0041]
图1是本发明的流程图；
[0042]
图2是本发明对照组测试系统图；
[0043]
图3是本发明介质厚度测试系统图，图3中d1为聚束天线到待测介质板表面的距离，d2为介质的厚度，图2中d1与图3保持一致，d1+d2表示聚束天线到金属板表面的距离；
[0044]
图4是本发明步骤(6)中线性调频逆z变换chirp-z局部放大时域图。
[0045]
1为矢量网络分析仪，2为聚束天线，3为待测介质板，4为金属板。
具体实施方式
[0046]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0047]
实施例1
[0048]
本实施例提供一种基于时域分析法的介质厚度估计方法，包括如下步骤：
[0049]
(1)设置对照组测试系统，通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
[0050]
(2)设置介质厚度测试系统，通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系
数s11，测试数据记为
[0051]
(3)测量天线驻波；
[0052]
(4)反射系数s11频域数据处理
[0053]
将介质厚度测试系统的s11频域数据扣除天线驻波后的数据，除以对照组测试系统的s11频域数据扣除天线驻波的数据，得到s
11div
；
[0054]
(5)s11时频变换计算介质厚度
[0055]
根据步骤(4)得到的s
11div
，转换到时域，测量时间观测范围终点的时移t0；根据时移大小即可计算出介质厚度；
[0056]
(6)提高介质厚度测量精度
[0057]
采用线性调频逆z变换，提高时间分辨精度，得到更加精确的时移t0，从而改善介质厚度的精度。
[0058]
实施例2
[0059]
本实施例提供一种基于时域分析法的介质厚度估计方法，包括如下步骤：
[0060]
(1)设置对照组测试系统
[0061]
对照组测试包括矢量网络分析仪、聚束天线、金属板；矢量网络分析仪连接聚束天线的校准处，即馈源接收端口，聚束天线垂直于金属板摆放，近似认为是均匀平面波对该金属板的垂直入射；通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
[0062]
(2)设置介质厚度测试系统
[0063]
介质厚度测试系统包括矢量网络分析仪、聚束天线、待测介质板、金属板；
[0064]
矢量网络分析仪连接聚束天线的校准处，即馈源接收端口，待测介质板背后紧贴金属板，聚束天线垂直于介质板摆放，近似认为是均匀平面波对该介质板的垂直入射；聚束天线到金属板的距离和对照组测试系统保持一致；通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数s11，测试数据记为
[0065]
(3)测量天线驻波
[0066]
通过矢量网络分析仪测试聚束天线在无待测介质板和金属板时的反射系数，即天线驻波记为s
11sw
。
[0067]
(4)反射系数s11频域数据处理
[0068]
经严格的电磁场理论公式推导得：
[0069][0070]
式中代表为校准到介质表面的反射系数，代表真空中传输距离d即介质厚度所带来的相移，s
11div
即为待分析数据；
[0071]
根据以上公式将介质厚度测试系统的s11频域数据扣除天线驻波后的数据，除以对照组测试系统的s11频域数据扣除天线驻波的数据得到s
11div
。
[0072]
(5)s11时频变换计算介质厚度
[0073]
通过matlab将待分析的频域数据s
11div
转换到时域进行分析：测量的第一个不连续点的时移t0；这个时移的物理意义即为电磁波在真空中传播两倍介质厚度所耗时间；根据时移大小即可计算出介质厚度；即介质厚度d＝c*t0/2，c为真空中电磁波的传播速度。
[0074]
通过matlab将待分析的频域数据s
11div
转换到时域进行分析，具体为：
[0075]
针对校准在介质表面的反射系数第一个不连续处即第一层反射的时间位置理论上位于原点，根据步骤(4)的公式(1)，做除法对照处理后的数据s
11div
，其第一层反射的时间位置理论上则位于原点左移一段时间，这个时间即为电磁波在真空中传播两倍介质厚度所耗时间，因此测量第一层反射的时移即可计算介质的厚度，所述第一层反射的时移即为测量时间观测范围终点左移的时间，利用该时间差，光速和介质厚度的关系即可计算得到介质的厚度。
[0076]
(6)提高介质厚度测量精度
[0077]
采用线性调频逆z变换，将待分析的频域数据s
11div
的时域观测范围终点附近不连续点处进行局部放大，用来提高时间分辨精度，得到更加精确的时移t0，从而改善介质厚度的精度。
[0078]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。