付 平，鞏 莉，鄭華山

(北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100039)

0 引言

隨著車載動中通技術(shù)的不斷發(fā)展，對天饋系統(tǒng)的要求越來越高。為了保證天線系統(tǒng)的指標，有時需要通過波導(dǎo)匹配負載來吸收掉系統(tǒng)中的反射波或交叉極化信號。波導(dǎo)匹配負載通常為一段終端短路的波導(dǎo)，里面沿電場方向放置一塊楔形吸收體，吸收體的材料可以用羥基鐵和聚苯乙烯的混合物做成[1-2]，吸收性能的大小主要是由材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛部決定的[3-4]。為了設(shè)計出滿足指標和尺寸要求的波導(dǎo)匹配負載，最有效的方法是運用三維電磁仿真軟件進行建模仿真，例如HFSS，CST，F(xiàn)eko等，但首先需要獲知材料的電磁參數(shù)。通常材料的電磁參數(shù)測試技術(shù)分為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法兩大類[5]，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法又分為時域法[6]、傳輸/反射法、多狀態(tài)法[7]和自由空間法[8]等，其中由Niclson，Ross，Weir等人提出的傳輸/反射法[9]因為具有寬頻帶、操作簡單且精度較高等特點而得到廣泛應(yīng)用。然而，對于吸波材料，尤其是吸收性能較強的材料，在較高頻段上進入樣品的電磁波有可能因為衰減較快而使得傳輸系數(shù)S21非常小，甚至接近于0，大大影響了測試精度；如果將樣品做得很薄，又很難將其裝卡進波導(dǎo)管中固定不動并保持與波導(dǎo)軸線垂直的狀態(tài)，給操作帶來了很大的麻煩。

本文給出一種利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試吸波材料電磁參數(shù)的方法。在較低頻段時沿用了傳輸/反射法的基本思路，但在反演計算公式上做了較大簡化，在較高頻段時若樣品不方便裝卡，則可采用另一種反射法的思路。這種方法也可用在實驗室資源條件有限，矢網(wǎng)只能進行單端口校準的情況。文章最后給出了此次實驗的結(jié)果。

1 傳輸/反射法測試原理

吸波材料電磁參數(shù)的測試原理如圖1所示，準備一根損耗很小的標準接口矩形直波導(dǎo)和截面尺寸與矩形波導(dǎo)完全一樣的待測材料樣品塊，用卡尺準確測量并記錄直波導(dǎo)的長度Lt，設(shè)待測材料樣品塊的尺寸為a×b×L2，L2的取值應(yīng)根據(jù)實際情況而定，可以準備幾塊不同厚度的樣品，測試時將它們一一塞進波導(dǎo)后觀察插損的變化情況，選取插損有明顯降低但不至于太低的那塊，例如-3～-10 dB的范圍內(nèi)。將選好的樣品塞進直波導(dǎo)，用卡尺大致測量出塞進的深度L1。

圖1 吸波材料電磁參數(shù)的測試原理

將2個波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的線纜后從兩波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)口面(如圖1(a)中參考面C和D)進行校準，然后將其連接已塞入材料樣品的直波導(dǎo)兩端，矢網(wǎng)保存S參數(shù)測試結(jié)果——S11,S12,S21,S22的幅度和相位信息，就可以計算出要求的ε'(ω)，ε' '(ω)，μ'(ω)，μ' '(ω)了。推導(dǎo)過程如下：

(1)

則參考面A-B之間的二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣為：

(2)

(3)

于是可以列出方程組：

(4)

2 反射法測試原理

如果測試頻段較高，而材料的吸波性能比較強，樣品放入波導(dǎo)后測出的傳輸系數(shù)S21很小，而如果將樣品加工得很薄，又很難將其裝進波導(dǎo)中且使其保持和波導(dǎo)軸線完全垂直；另一方面，有的實驗室資源條件欠缺，無法對矢網(wǎng)進行二端口校準或者二端口校準精度不夠，但可以進行單端口精確校準的情況下，可以考慮反射測試方法，原理如下：

在一根短路波導(dǎo)底部塞入一片厚度為Lq的吸波材料，如圖2所示。

圖2 反射法測量材料的電磁參數(shù)

(5)

再在短路波導(dǎo)底部塞入一片厚度為Lp的吸波材料，同理，

(6)

(7)

解方程求出參數(shù)x，然后求出剩余的參數(shù)。通常此方程需要用數(shù)值的方法解出。

3 一種簡單的二端口網(wǎng)絡(luò)的校準辦法

所謂校準就是測量一組已知器件，根據(jù)測試結(jié)果和已知器件的特性比較，列出方程求解未知項，為后續(xù)的測量提供修正[14-15]。上述的測試過程中需要將校準面定為所用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)口面，例如本文中采用BJ140的轉(zhuǎn)換接頭，即需要配備BJ140規(guī)格的波導(dǎo)校準箱[16-17]，否則測試結(jié)果中將包含夾具(即波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換)的影響，通常表現(xiàn)為頻率響應(yīng)曲線上引入較大的抖動波紋[18]。然而實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)配置全部頻段的波導(dǎo)校準件，如果實驗室正好不具備所需波導(dǎo)校準件，也不需要另行購買，可以用以下替代方法進行校準。

(8)

圖3 二端口網(wǎng)絡(luò)的一端接某一負載

四個未知數(shù)。

圖1中，如果僅能對矢網(wǎng)線纜的同軸端面進行校準，則可在完成S參數(shù)的測試后，將S矩陣轉(zhuǎn)換成歸一化A矩陣，然后左右各乘以所用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的A矩陣的逆，即得到C-D參考面間的A矩陣，再轉(zhuǎn)換成S矩陣，即為式(1)中的SC-D。

4 測試結(jié)果及分析

按照上述傳輸/反射法測得的某吸波材料在Ku頻段上的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率如圖4和圖5所示。

圖4 吸波材料Ku頻段的介電常數(shù)

圖5 吸波材料Ku頻段的磁導(dǎo)率

按照上述反射法測得的某吸波材料在Ka頻段的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率如圖6和圖7所示。

圖6 吸波材料Ka頻段的介電常數(shù)

圖7 吸波材料Ka頻段的磁導(dǎo)率

將測得的材料參數(shù)代入仿真軟件進行波導(dǎo)吸收負載的優(yōu)化設(shè)計并完成加工和測試，結(jié)果如圖8和圖9所示，可以看出在各自的設(shè)計頻段內(nèi)(分別為14～14. 5 GHz和29～30 GHz)波導(dǎo)吸收負載的駐波測試結(jié)果都小于1. 1，且和仿真值吻合良好。

圖8 Ku頻段波導(dǎo)負載仿真和測試駐波

圖9 Ka頻段波導(dǎo)負載仿真和測試駐波

5 結(jié)束語

本文給出了一種吸波材料電磁參數(shù)的測試方法，并針對此方法在頻率較高、吸波材料吸收效果較強的情況下測試困難的問題提出了一種可選方案。這種方案還可應(yīng)用于由于實驗室條件限制無法對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行二端口校準或者二端口的校準精度不夠高，但可進行單端口精確校準的情形。

另外，由于測試過程要求從波導(dǎo)端面進行校準，如果實驗室不具備波導(dǎo)校準箱也不需要另行購買，本文給出了一種替代的校準方案，這種方案已經(jīng)過多次測試驗證，可有效去除波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭及其他測試工裝的影響。