[发明专利]基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，该方法采用的测量装置包括矢量网络分析仪、PCB校准元件、PCB测试元件、上位机、亥姆霍兹线圈、任意波发生器、功率放大器、双向直流电源，数字万用表；

所述的PCB校准元件用于矢量网络分析仪的校准；PCB校准元件的基材为PCB板，表面同时贴装有短路、开路、负载和直通四种标准件；每个标准件的两端均连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；

所述的PCB测试元件的基材为PCB板，表面贴装有两条微带线，且两条微带线的一端均设有接触垫，两个接触垫之间具有间隔，用于连接待测样品；两条微带线的另一端分别连接有SMA连接器，用于与矢量网络分析仪实现同轴连接；

所述的任意波发生器和直流双向电源均通过功率放大器与亥姆霍兹线圈相连；

所述的数字万用表用于检测亥姆霍兹线圈上的实际电压；

所述的矢量网络分析仪、任意波发生器和数字万用表均与上位机相连；

其特征在于，所述测量方法步骤如下：

S1：选择校准频段范围，使用50Ω理想校准件和所述PCB校准元件对矢量网络分析仪进行SOLT校准，校准之后在上位机中创建校准文件；

S2：将待测样品连接在PCB测试元件的微带间隔上，并保证待测样品两端各自与间隔两侧的两个接触垫连通；将PCB测试元件置于亥姆霍兹线圈中，并保持磁场方向平行于待测样品长度方向；分别将PCB测试元件的两个SMA连接器以同轴连接的方式连接到矢量网络分析仪的两个端口上，激活S1中创建的校准文件进行后续测量；

S3：在亥姆霍兹线圈不施加外磁场情况下，在矢量网络分析仪中输入测量的起始频率、终止频率和频率点数，测量样品在每个频率点的传输系数S_21M的相位：

ω是角频率，ω＝2πf，f是频率；H是沿样品长度方向的外磁场强度，在亥姆霍兹线圈不施加外磁场情况下H＝0；Im表示虚部，Re表示实部，S_21M(ω，H＝0)表示样品在ω角频率和外磁场强度H＝0下的测量传输系数；表示样品在ω角频率和外磁场强度H＝0下的测量传输系数相位；

S4：在校准频段范围内，使用相位展开法将周期性跳跃的展开为连续的直线；

S5：对相位展开后的中呈线性分布的离散频点，采用最小二乘法进行线性回归，得到线性回归方程y(ω)＝aω+b；然后得到延迟时间Δt，延迟时间等于线性回归线斜率a的绝对值；

S6：利用亥姆霍兹线圈对待测样品施加目标外磁场强度，在矢量网络分析仪中设定目标频率；然后测量目标频率及目标外磁场强度下待测样品的传输系数S_21M(ω,H)，基于S4中得到的延迟时间Δt，使用复指数函数得到归一化后的传输系数S₂₁(ω，H)：

式中：i是虚数单位；

S7：归一化后的S₂₁通过以下标准公式计算得到待测样品在目标频率及目标外磁场强度下的阻抗Z：

式中：Z(ω，H)是在ω角频率和外磁场强度H下的阻抗。

2.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其特征在于，所述的PCB板采用罗杰斯PCB板，厚度为0.8-1.6mm。

3.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其特征在于，所述的四种标准件中，标准短路件通过在微带线末端打接地通孔实现上下两个地平面之间的连接；标准开路件为开路微带线；标准负载件为由两个并联的威世100Ω射频电阻得到的50Ω负载；标准直通件为一条连续的微带线。

4.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其特征在于，所述的待测样品为磁性或非磁性的导电纤维或导电薄膜。

5.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其特征在于，两个所述的接触垫的间距为3～20mm，所述接触垫的长度为1～2mm。

6.如权利要求1所述的基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量方法，其特征在于，所有设备均放置在高度和水平方向可调的手推车上。