一种吸波材料电磁参数的测试与校准方法

付 平，巩 莉，郑华山

(北京航天光华电子技术有限公司，北京 100039)

0 引言

随着车载动中通技术的不断发展，对天馈系统的要求越来越高。为了保证天线系统的指标，有时需要通过波导匹配负载来吸收掉系统中的反射波或交叉极化信号。波导匹配负载通常为一段终端短路的波导，里面沿电场方向放置一块楔形吸收体，吸收体的材料可以用羟基铁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电常数和磁导率的虚部决定的[3-4]。为了设计出满足指标和尺寸要求的波导匹配负载，最有效的方法是运用三维电磁仿真软件进行建模仿真，例如HFSS，CST，Feko等，但首先需要获知材料的电磁参数。通常材料的电磁参数测试技术分为网络参数法和谐振腔法两大类[5]，网络参数法又分为时域法[6]、传输/反射法、多状态法[7]和自由空间法[8]等，其中由Niclson，Ross，Weir等人提出的传输/反射法[9]因为具有宽频带、操作简单且精度较高等特点而得到广泛应用。然而，对于吸波材料，尤其是吸收性能较强的材料，在较高频段上进入样品的电磁波有可能因为衰减较快而使得传输系数S21非常小，甚至接近于0，大大影响了测试精度；如果将样品做得很薄，又很难将其装卡进波导管中固定不动并保持与波导轴线垂直的状态，给操作带来了很大的麻烦。

本文给出一种利用矢量网络分析仪测试吸波材料电磁参数的方法。在较低频段时沿用了传输/反射法的基本思路，但在反演计算公式上做了较大简化，在较高频段时若样品不方便装卡，则可采用另一种反射法的思路。这种方法也可用在实验室资源条件有限，矢网只能进行单端口校准的情况。文章最后给出了此次实验的结果。

1 传输/反射法测试原理

吸波材料电磁参数的测试原理如图1所示，准备一根损耗很小的标准接口矩形直波导和截面尺寸与矩形波导完全一样的待测材料样品块，用卡尺准确测量并记录直波导的长度Lt，设待测材料样品块的尺寸为a×b×L2，L2的取值应根据实际情况而定，可以准备几块不同厚度的样品，测试时将它们一一塞进波导后观察插损的变化情况，选取插损有明显降低但不至于太低的那块，例如-3～-10 dB的范围内。将选好的样品塞进直波导，用卡尺大致测量出塞进的深度L1。

图1 吸波材料电磁参数的测试原理

将2个波导同轴转换接头连接矢量网络分析仪的线缆后从两波导同轴转换的波导口面(如图1(a)中参考面C和D)进行校准，然后将其连接已塞入材料样品的直波导两端，矢网保存S参数测试结果——S11,S12,S21,S22的幅度和相位信息，就可以计算出要求的ε'(ω)，ε' '(ω)，μ'(ω)，μ' '(ω)了。推导过程如下：

(1)

则参考面A-B之间的二端口网络的S参数矩阵为：

(2)

(3)

于是可以列出方程组：

(4)

2 反射法测试原理

如果测试频段较高，而材料的吸波性能比较强，样品放入波导后测出的传输系数S21很小，而如果将样品加工得很薄，又很难将其装进波导中且使其保持和波导轴线完全垂直；另一方面，有的实验室资源条件欠缺，无法对矢网进行二端口校准或者二端口校准精度不够，但可以进行单端口精确校准的情况下，可以考虑反射测试方法，原理如下：

在一根短路波导底部塞入一片厚度为Lq的吸波材料，如图2所示。

图2 反射法测量材料的电磁参数

(5)

再在短路波导底部塞入一片厚度为Lp的吸波材料，同理，

(6)

(7)

解方程求出参数x，然后求出剩余的参数。通常此方程需要用数值的方法解出。

3 一种简单的二端口网络的校准办法

所谓校准就是测量一组已知器件，根据测试结果和已知器件的特性比较，列出方程求解未知项，为后续的测量提供修正[14-15]。上述的测试过程中需要将校准面定为所用波导同轴转换的波导口面，例如本文中采用BJ140的转换接头，即需要配备BJ140规格的波导校准箱[16-17]，否则测试结果中将包含夹具(即波导同轴转换)的影响，通常表现为频率响应曲线上引入较大的抖动波纹[18]。然而实际应用中很难实现配置全部频段的波导校准件，如果实验室正好不具备所需波导校准件，也不需要另行购买，可以用以下替代方法进行校准。

(8)

图3 二端口网络的一端接某一负载

四个未知数。

图1中，如果仅能对矢网线缆的同轴端面进行校准，则可在完成S参数的测试后，将S矩阵转换成归一化A矩阵，然后左右各乘以所用波导同轴转换的A矩阵的逆，即得到C-D参考面间的A矩阵，再转换成S矩阵，即为式(1)中的SC-D。

4 测试结果及分析

按照上述传输/反射法测得的某吸波材料在Ku频段上的介电常数和磁导率如图4和图5所示。

图4 吸波材料Ku频段的介电常数

图5 吸波材料Ku频段的磁导率

按照上述反射法测得的某吸波材料在Ka频段的介电常数和磁导率如图6和图7所示。

图6 吸波材料Ka频段的介电常数

图7 吸波材料Ka频段的磁导率

将测得的材料参数代入仿真软件进行波导吸收负载的优化设计并完成加工和测试，结果如图8和图9所示，可以看出在各自的设计频段内(分别为14～14. 5 GHz和29～30 GHz)波导吸收负载的驻波测试结果都小于1. 1，且和仿真值吻合良好。

图8 Ku频段波导负载仿真和测试驻波

图9 Ka频段波导负载仿真和测试驻波

5 结束语

本文给出了一种吸波材料电磁参数的测试方法，并针对此方法在频率较高、吸波材料吸收效果较强的情况下测试困难的问题提出了一种可选方案。这种方案还可应用于由于实验室条件限制无法对矢量网络分析仪进行二端口校准或者二端口的校准精度不够高，但可进行单端口精确校准的情形。

另外，由于测试过程要求从波导端面进行校准，如果实验室不具备波导校准箱也不需要另行购买，本文给出了一种替代的校准方案，这种方案已经过多次测试验证，可有效去除波导同轴转换接头及其他测试工装的影响。