[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

说明书

本发明涉及一种基于微带线法的一维和二维导电材料的宽频阻抗测量装置及其方法，属于阻抗测量和射频技术领域。本发明测量设备包括矢量网络分析仪(VNA)，任意波发生器，功率放大器，双向直流电源，数字万用表(DMM)，亥姆霍兹线圈和台式机，所有设备均放置在高度可调的手推车上，所有设备通过上位机实现通讯协作。本发明旨在通过使用微带线方法，并对样品波导特性进行相位补偿，实现从kHz到15GHz的超宽频带范围内导电纤维或薄膜的阻抗测量。

技术领域

本发明涉及一种阻抗测量装置及其方法，尤其涉及一种基于微带线法的一维和二维导电材料的宽频阻抗测量装置及其方法，属于阻抗测量和射频技术领域。

背景技术

自从1994年在铁磁微米丝中发现磁阻(MI)效应以来，宽频带阻抗测量在材料科学研究领域变得日益重要。当时，研究热点主要为激发频率为MHz频段的MI磁传感器开发。后来，研究人员发现，基于MI效应，磁阻材料或磁阻材料阵列通过与电磁波的相互作用，可以在更宽的频率范围内用于微波遥感。现有的同轴法只能测量几GHz以下频段的阻抗；相反地，由于低频下波导元件的尺寸较大，波导法不便用于GHz以下频段的阻抗测量。因此，现有的这两种测量方法均不能实现阻抗的宽频带测量。除此之外，这两种方法不允许对被测样品施加外应力的原位阻抗测量；对于施加温度场的原位阻抗测量，理论上是可行的，但需要非常复杂的实验装置。相反地，PCB测试元件允许在施加外场 (如磁场，应力场和温度场)的情况下，实现从kHz到GHz的原位宽频带阻抗测量。唯一需要解决的问题是如何将SOLT校准的参考面扩展到样品端，并消除由样品波导特性引起的相位延迟。

由同轴法和波导法的测量结果转化得到阻抗的计算过程十分复杂，因为该计算过程需要求逆解。而使用PCB测试元件，可以使用简单的代数方程由测量的传输系数S_21M计算得到阻抗。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供了一种基于微带线法的一维和二维导电材料的宽频阻抗测量装置及方法。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种基于微带线法的一维和二维材料宽频带阻抗测量装置，其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。

作为优选，所述的PCB板采用罗杰斯PCB板，厚度为0.8-1.6mm。

作为优选，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。

作为优选，所述的待测样品为磁性或非磁性的导电纤维或导电薄膜。

作为优选，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。

作为优选，所有设备均放置在高度和水平方向可调的手推车上。