[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

说明书

本发明公开了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，属于电磁场与微波技术领域。本发明在现有的自由空间法测量系统的基础上，在贴近待测样品一侧加入极化栅网，通过测量网络的反射参数和透射参数随极化栅网的角度的变化曲线将透过栅网的电磁波与其他路径不变的电磁波区别开；而这个变化的信号携带待测样品的介电信息，因此由变化曲线中的幅度等系数来反演得到待测样品的介电常数。而在稳定环境中，网络参数随极化栅角度的变化对电磁环境并不敏感，因此实验环境中的电磁波绕射、衍射带来的影响得到有效降低。此外聚焦透镜天线采用一种有耗材料聚乳酸(PLA)，有效降低了天线之间电磁波的多次反射，使实验结果更加精确。

技术领域

本发明涉及一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，属于电磁场与微波技术领域。

背景技术

介电常数是物质的重要电磁参数，实现对物体介电常数的精确测量有非常重要的意义。目前的介电常数测量技术按照测试原理的不同主要分为网络参数法和谐振腔法两类。其中，网络参数法又可分为终端加载法、自由空间法和传输/反射法等。自由空间法是一种开场电磁特性参数测试技术，属于传输/反射法的一种。自由空间法的测量系统如图1所示，主要由一对点聚焦透镜天线、控制计算机和矢量网络分析仪组成。其原理是聚焦透镜天线将电磁波辐射到自由空间，在天线的焦平面附近形成稳定的准TEM波束，此波束垂直入射到样品表面后，由于介质表面处的不连续性，致使电磁波在介质与空气交界面处发生多次反射和透射。反射信号被发射天线接收后进入矢量网络分析仪的1端口，利用耦合信号与参考信号的比值获得反射参数，同理，透射信号经接收天线接收后进入矢量网络分析仪的2端口，通过与参考信号的比值得到透射参数。这两个系数包含了介质的电磁信息。将被测网络设为双端口网络。通过测量整个网络的反射参数和透射参数，就可由理论公式计算出介质的介电常数。

自由空间法相比于其他几种方法，对样品的要求较低，只需足够大的一块双面平行的平板。自由空间法的样品安放方便，克服了闭场域下的同轴线法及其矩形波导法中的配合间隙问题。

与此同时，自由空间法测量也存在着许多问题，主要包括样品边缘绕射问题，相位模糊问题以及厚度谐振问题。其中，对实验结果精确性和稳定性影响较大的是边缘绕射问题。

由于自由空间法是开场域测试，外界对测试结果准确度的影响比较大。测试系统不同器件间的间距较小，因此不可避免将会产生不需要的反射及其衍射现象。这些会对测试结果产生较大的影响。目前的解决措施包括，适当增大样品的尺寸，以及在测试系统周围使用吸波材料等，但这些方法没有解决根本问题，改善效果有限。

发明内容

基于自由空间法存在的问题，本发明提出了一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，在现有的自由空间法测量系统的基础上，在待测样品的一侧加入极化栅网，由于只有极化方向垂直于极化栅网槽缝的波才能通过，改变极化栅网的旋转角度，反射波和透射波也随之变化。设计极化栅网贴近待测样品，通过测量旋转极化栅网带来的透射和反射信号的变化，使得透过极化栅网的电磁波能够与其他路径不变的电磁波区别开。而这个变化的信号来源于完全通过待测样品的电磁波，携带待测样品的介电信息。进而通过测量网络的反射参数和透射参数随极化栅网的角度的变化曲线，可以推导出待测样品的介电常数。

具体的，所述的一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，在现有的测量系统的基础上，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。所述的极化栅网为圆形，圆面积为待测样品面积的85％。待测样品和极化栅网之间的距离不大于待测频段波长的十分之一。

基于所述的一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量系统，本发明还提供一种加入极化栅的自由空间法介电常数测量方法，包括如下步骤：