本发明属于屏蔽效能测试，具体涉及一种用于间接表征碳纤维复合材料屏蔽效能的测试系统及方法。
背景技术：
1、在日益复杂的电磁环境中，高功率电磁干扰(emi)源(如工业微波设备)和突发性强电磁脉冲(如雷击或输变电系统故障)对现代电子信息系统构成系统性威胁。随着5g/6g通信、物联网和智能电网等技术的发展，电子设备的电磁敏感性愈发显著。传统的金属emi屏蔽材料已难以满足5g/6g通信、机械防护等新一代技术对轻量化、高强度的电磁防护需求。碳纤维复合材料(cfc)凭借其突出的高强度、低密度、稳定的耐腐蚀性、可设计性强以及优异的电磁屏蔽性能等特性，正逐步成为传统金属屏蔽材料的可替代品，已被广泛应用于雷达通信、航空航天、医疗器械及新能源汽车等领域，如卫星载荷舱体、舰载通信系统和防护服等。值得注意的是，不同应用场景对材料电磁屏蔽效能的要求存在显著差异，屏蔽效能作为衡量材料对电磁波屏蔽能力的重要指标，直接决定了材料在复杂电磁环境中的适用性。因此，建立精确的碳纤维复合材料屏蔽效能评估体系，对于实现材料电磁屏蔽性能的精准评估和优化设计具有重要工程价值。
2、在文献“analyzing carbon-fiber composite materials with equivalent-layer models”中ch ristopher l.holloway等人基于纤维电导率、碳纤维的占空比提出了三种等效模型，实现了反射/透射系数以及屏蔽效能(se)的有效计算；在文献“carbon-fiber reinforcements for epox y composites with electromagnetic radiationprotection-prediction of electromagnetic shielding ability”中veronikatunakova等人利用编织结构的几何参数(孔径长度和纤维丝直径)和碳纤维电导率建立了编织型cfc的se预测模型；但上述研究未阐明几何参数(如纤维电导率、间距)的实际测量方法，仅通过已知参数进行了数值模拟验证，而几何参数会因为碳纤维测量方向的不同而变化，因此上述方法难以准确评估se。在文献“theoretical prediction and experimentalverification on emi shielding effectiveness of dielectric composites usingcomp lex permittivity中”薛继梅基于传输线理论，采用波导法在x波段内通过计算得到的反射系数和透射系数实现了对sicf/sicn复合材料se的评估。在文献“experimentalcharacterisa tion and prediction of shielding effectiveness for multilayercarbon fibre reinforced composit e materials with varying configurations”中e.mikinka等人应用传输线理论获得了碳纤维增强聚合物(cfrp)复合材料的电导率与se的关联式，实现对准各向同性铺层的cfrp复合材料薄板se进行预测，测试的电导率在150mhz～1ghz频率范围内的精度预测均在5db以内。
3、综上分析可知，当前se表征技术存在两个局限性：一方面，传统电导率/方阻测试均基于直流或低频状态，无法体现材料在微波频段下的高频交流响应特性；另一方面，现行测量方法未能充分考虑碳纤维复材的各向异性特征，难以准确表征碳纤维复材在复杂电磁环境中的多向电磁特性。因此，为实现微波频段碳纤维复材屏蔽效能精准表征与快速评估，需构建能够反映材料各向异性特征并兼容宽频段电磁响应的新型表征方法。其中，开发适用于微波频段导电性能参数的高精度测量技术，是成为实现碳纤维复材屏蔽效能表征的关键突破口。
技术实现思路
1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于间接表征碳纤维复合材料屏蔽效能的测试系统及方法。该系统采用带空气间隙部分开孔作用的矩形谐振腔，在微波频段实现碳纤维复合材料微波表面电阻的测试，进而可以精准表征其屏蔽效能；并且在实际测量中设置了一定距离的空气间隙，使得腔体与待测样品之间保持非接触状态，降低了样品与腔体接触不连续带来的影响，从而提高了测试精度；整个测试装置简单易实现。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
3、一种用于间接表征碳纤维复合材料屏蔽效能的测试系统，包括矩形谐振腔1、微波同轴电缆2、通信电缆3、矢量网络分析仪4、程控计算机5和耦合装置6；
4、所述矢量网络分析仪4通过微波同轴电缆2与耦合装置6相连，并通过通信电缆3与程控计算机5相连；
5、所述谐振腔为矩形谐振腔，由两段腔体连接组成，且两端腔体的外壁齐平，第一段腔体的内壁口径大于第二段腔体的内壁口径，第一段腔体的一端短路，第二段腔体的一端开路；
6、谐振腔侧壁上沿腔体的纵向方向设置非辐射缝，且非辐射缝与谐振腔宽边垂直；
7、待测样品放置于谐振腔的第二段腔体的一端的外表面，且第二段腔体的外表面与待测样品的接触界面设置三个点式凸起结构，通过均匀分布的三个凸点精确控制样品与谐振腔之间的空气间隙；
8、所述耦合装置由输入耦合单元和输出耦合单元构成，输入耦合单元和输出耦合单元对称设置于矩形谐振腔的短路面上。
9、进一步地，所述谐振腔第一段腔体的内壁宽边为2a1、窄边2b1、高度l1；第二段腔体的内壁宽边为2a2、高度为l2，这些尺寸参数根据谐振频率、品质因数以及信号的激励等进行确定。
10、进一步地，非辐射缝在纵向长度方向关于谐振腔的水平中心面对称。
11、进一步地，所述输入耦合单元和输出耦合单元均采用环形耦合结构，通过机械调节装置控制耦合环进入谐振腔的深度来调节注入腔体的谐振能量。
12、进一步地，所述谐振腔由两个相同半腔组成。
13、进一步地，所述测试系统还包括支撑单元7，所述支撑单元由一对支撑臂构成，其分别固定于矩形谐振腔1的宽壁两侧，用于使两个半腔合成一个完整腔体。
14、本发明还提供基于上述测试装置表征碳纤维复合材料屏蔽效能的方法，包括以下步骤：
15、步骤1.对谐振腔进行校准，具体过程为：
16、步骤1.1.将两块已知微波表面电阻的标准金属板分别放置谐振腔的开路端面进行测试，得到两组品质因数q值；
17、步骤1.2.基于两组q值求解出系数a、b，完成对腔体的校准，具体计算公式为：
18、
19、其中，ω为工作角频率，w1、w2、w3分别为区域ⅰ、区域ⅱ和区域ⅲ的储能，p1、p2、p3分别为区域ⅰ、区域ⅱ和区域ⅲ的损耗；区域ⅰ为第一段腔体的空腔部分，区域ⅱ为第二段腔体的空腔部分，由于树脂介质层与空气介质的电磁特性具有可比性，所可以将其等效为空气介质，则区域ⅲ为待测样品与谐振腔之间的空气间隙与第一介质层，区域iv为碳纤维复材的导电层；ps为待测样品端的导体损耗，rs是待测样品微波表面电阻；a、b是与腔体尺寸、工作模式相关的系数；
20、步骤2.将待测碳纤维板放置于谐振腔开路端面，放置时碳纤维板的纤维轴向与电场方向成一定的角度，测量得到q值和频率f，带入公式(2)，计算得到碳纤维板在该方向上的微波表面电阻rs；
21、步骤3.基于步骤2得到的微波表面电阻rs计算屏蔽效能se，具体公式为：
22、
23、为区域①到区域⑤的广义透射系数，碳纤维复材等效为两个树脂基体形成的介质层、以及中间导电层的多层模型，区域①和区域⑤分别对应入射端自由空间与透射端自由空间，区域②、区域③、区域④为第一介质层、中间导电层和第二介质层；
24、
25、γi为传播常数，
26、其中，下标i为碳纤维复材多层模型中区域的序号；σ为电导率，d为碳纤维板的厚度；εri为第i区域材料的相对介电常数，ε0为自由空间介电常数，μ为自由空间磁导率，j为复数单位；
27、在多层模型中，以空气和第一介质层的分界面上的点为坐标原点，以第一介质层向第三介质层延伸的方向为z轴，以介质层的高度方向为x轴构建坐标系；d0-d3分别为区域②-区域④在z向的位置，广义透射系数为区域⑤的透射波电场振幅与区域①的入射波电场振幅之比，式中：tj-1,j为区域j-1与区域j分界面的透射系数，γj-1,j为区域j-1与区域j分界面的反射系数，为区域j与区域j+1分界面的广义反射系数。
28、进一步地，步骤2中的一定角度为碳纤维板的纤维轴向与电场方向平行、垂直或形成一定的角度。
29、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
30、本发明采用带空气间隙部分开孔作用的矩形谐振腔，可以在微波频段实现碳纤维复合材料微波表面电阻的测试，进而可以精准表征其屏蔽效能；并且在实际测量中设置了一定距离的空气间隙，使得腔体与待测样品之间保持非接触状态，降低了样品与腔体接触不连续带来的影响，从而提高了测试精度。