[发明专利]一种基于人工磁导体矩形波导的材料电磁参数测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于人工磁导体矩形波导的材料电磁参数测试方法，属于材料电磁参数测试方法技术领域。

背景技术

材料的电磁参数测试方法主要有同轴探头法、传输线法、自由空间法、谐振腔法、平行板和电感测试法等。每一种方法都有它的优势和缺点。在众多的测试方法中，传输线法是将待测材料样品置于空气传输线(矩形波导或者同轴线)中，通过使用矢量网络分析仪(VNA)或者多端口技术测试该传输线的散射参数(S参数)，再根据散射方程推算出待测介质传输线段的传输系数T和反射系数Γ，最后计算出材料的相对复介电常数ε_r和相对磁导率μ_r。传输线法因为具有操作简单、测试速度快、测试频带宽、无辐射损耗及测试精度较高等优点而得到广泛应用，是目前各种材料微波电磁参数测试方法中研究的最多的一种。

作为单导体的金属波导,它的宽边和窄边都是金属导体，其内部无法传输横电磁(TEM)波,只能传输横电(TE)波或横磁(TM)波。矩形波导具有截止频率，即当电磁波频率低于波导的截止频率时，电磁波就不能在波导中传输了。波导的截止频率由波导的尺寸决定，尺寸越大截止频率越低。正因为这个原因，当工作频率较低时，波导的尺寸将比较大。这是使用金属矩形波导测试材料电磁参数的最主要缺点之一。

近几年来，人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)是微波毫米波领域研究的热点之一。人工磁导体是超材料的一种，通过合理的设计可以实现某一频点对垂直入射平面波的同相位反射特性。利用这一个特性可以改变已有的微波器件的设计思路和方法，从而得到一些具有特殊性能的器件和结构。目前对AMC的应用主要集中在天线的应用，如用来设计天线地板，能有效地降低天线的剖面，并对天线性能加以改善，如提高增益、改善S参数、实现多频工作等，而在微波器件上的应用较少。本发明将利用人工磁材料设计矩形波导,并把它用于材料电磁参数的测试,以克服现有的传输线法测试材料电磁参数的部分缺点。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提出一种基于人工磁导体矩形波导的材料电磁参数测试方法。

一种基于人工磁导体矩形波导的材料电磁参数测试方法，含有以下步骤；

首先利用矢量网络分析仪测试放置有待测介质材料的基于人工磁导体的矩形波导两个输入(输出)端口的S参数,包括第一反射特性S₁₁和第二反射特性S₂₂，第一传输特性S₁₂和第二传输特性S₂₁；然后利用以下公式计算材料的相对介电常数和相对磁导率:

其中，ε_r是被测试材料的相对介电常数，μ_r是被测试材料的相对磁导率；γ₀是频率为ω的电磁波在自由空间中传播时的传播常数，γ是频率为ω的电磁波在测试材料中传播时的传播常数；Γ是波导端口的反射系数，T是波导端口的传输系数。

ε₀是自由空间介电常数，μ₀是自由空间磁导率。

第一反射特性S₁₁为第二端口2匹配时，第一端口1的反射系数；

第一传输特性S₁₂为第一端口1匹配时，从第二端口2到第一端口1 的传输系数；

第二传输特性S₂₁为第二端口2匹配时，从第一端口1到第二端口2 的传输系数；

第二反射特性S₂₂为第一端口1匹配时；第二端口2的反射系数。

本发明基于人工磁导体矩形波导的材料电磁参数测试方法包括：一个基于人工磁导体的矩形波导、两根同轴传输线、两个同轴波导转换器、一台矢量网络分析仪和被测试的介质材料。基于人工磁导体的矩形波导包括：相互平行的第一宽边电导体平面和第二宽边电导体平面，相互平行的第一窄边人工磁导体平面和第二窄边人工磁导体平面，窄边磁导体平面和宽边电导体平面相互垂直，构成矩形的波导管。波导管的两端与宽边电导体平面和窄边磁导体平面均垂直的端口面为第一输入、第一输出端口和第二输入、第二输出端口,用于电磁波的输入和输出。

本发明相对于现有技术的优点和效果是：