[发明专利]一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，包括一对聚焦透镜天线、控制计算机、步进电机、矩圆模式变换器A、矩圆模式变换器B以及矢量网络分析仪，所述的一对聚焦透镜天线分别为发射天线和接收天线；所述的发射天线通过矩圆模式变换器A与矢量网络分析仪的端口A连接，所述的接收天线通过矩圆模式变换器B与矢量网络分析仪的端口B连接，所述的矢量网络分析仪连接控制计算机，控制计算机将接收到的数据进行处理计算得出待测样品的介电常数；其特征在于：在待测样品和发射天线之间靠近待测样品处设置一极化栅网，所述的极化栅网连接有步进电机，步进电机连接到控制计算机，用来控制极化栅网的角度旋转；所述的发射天线、极化栅网、待测样品和接收天线的中心依次从左到右同轴布置。

2.根据权利要求1所述的一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，其特征在于：所述的发射天线和接收天线结构完全相同，相对放置于精密滑动导轨上；透镜材料选择有损耗的聚乳酸材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，其特征在于：待测样品放于发射天线和接收天线之间的支架上，通过调节发射天线和接收天线在导轨上的位置，使发射天线和接收天线的焦平面重合，并使得待测样品位于所述的重合的焦平面处；所述待测样品的面积为发射天线或接收天线焦斑的3倍大小，且完全覆盖极化栅网，极化栅网的面积为待测样品面积的85％。

4.根据权利要求1所述的一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，其特征在于：所述的极化栅网为圆形，极化栅网与待测样品的距离不大于待测频段波长的十分之一。

5.一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，

第一步，利用步进电机驱动极化栅网在所在平面内绕圆心旋转一周，矢量网络分析仪测得网络的透射参数S₂₁和反射参数S₁₁随极化栅网旋转角度变化的实时数据；

第二步，再将待测样品拿去，重复第一步，得到直通情况下透射参数S_21直和反射参数S_11直随极化栅网角度变化的数据；

第三步，绘制出四个网络参数S₂₁、S₁₁、S_11直、S_21直随极化栅网角度的变化曲线；

第四步，利用软件拟合出每条参数变化曲线中的常数系数，然后通过理论推导，得到待测样品的介电常数；

所述的理论推导具体如下：

设极化栅网的槽缝角度为发射天线发射的电磁波极化角度为θ，待求解的待测样品两端的反射参数和透射参数分别为R和T；

根据电磁场的相关理论，在直通和加待测样品两种情况下，矢量网络分析仪获得的反射参数S_11直、S₁₁与透射参数S_21直、S₂₁关于极化栅网的槽缝角度的变化关系为：

其中，S₁₁分为两部分来计算，一部分为在极化栅网处反射回的波，另一部分为穿过极化栅网后在待测样品处反射回的波；a₁-ja₁’、b₁-jb₁’、a₂-ja₂’、b₂-jb₂’表示各个网络参数中由边缘绕射带来的干扰，且a₁、b₁、a₂、b₂为各个网络参数S₁₁、S₂₁、S_11直、S_21直中加入的干扰的实部，a₁’、b₁’、a₂’、b₂’为各个网络参数S₁₁、S₂₁、S_11直、S_21直中加入的干扰的虚部；k₁、k₂分别是反射参数与透射参数幅度中的常数项系数；在计算网络参数的相位时，考虑到相位衰减与波的传播路程成正比，这里分反射波和透射波两种情况考虑：反射波和透射波又各分为两类，第一类反射波是由发射天线发射的波经过极化栅网反射后回到发射天线的波，其相位用e^-jα表示，第二类反射波是经过极化栅网透射后在待测样品处反射回发射天线的波，其相位用e^-j(α+β)表示；同时考虑透射波的两种情况：第一类透射波是从发射天线出发，经过极化栅网与待测样品的透射，到达接收天线的波，其相位用e^-j(γ+δ)表示，第二类透射波是在直通情况下，由于去掉了待测样品，因此发射的波只经过了极化栅网的透射，没有经过在待测样品中的衰减，因此其相位相比于第一种透射波少了一项，用e^-jγ来表示；

经过化简，得到四个网络参数的实部、虚部如下：

其中，Re_S和Im_S分别表示网络参数S的实部和虚部，下脚标S代表S_11直、S₁₁、S_21直和S₂₁；

设上面八个量的幅度值分别为B_Re11，B_Im11，B_Re21，B_Im21，B_Re11直，B_Im11直，B_Re21直，B_Im21直；函数式的参量α、β、γ、δ、k₁、k₂，以及待测样品两侧的反射参数R、透射参数T通过八个幅度值相互推导求解出来；如下所示：

介质表面的反射参数R、透射参数T也就是以介质表面作为两端口的网络的S参数，然后利用自由空间法的反演算法即得到待测材料的介电常数。