[发明专利]一种基于时域分析法的介电常数估计方法

说明书

本发明提供一种基于时域分析法的介电常数估计方法，包括设置介质厚度测试系统、测量天线驻波、反射系数S11频域数据处理、S11时频变换计算介质厚度、S11时频变换计算介电常数、提高介电常数测量精度，避免了传统时域分析法时域选通带来的误差，误差来源仅为时域分辨精度，该精度可由chirp‑z逆变换或者频域补零进行优化。并且抓住了被测介质的不连续性在时域的物理意义，根据已经得到的厚度和电磁场相关理论计算介电常数的大小。

技术领域

本发明属于微波测量技术领域，是一种基于时域分析法的介电常数估计方法。

背景技术

矢量网络分析仪(VNA)是一种精密的综合性微波测量仪器，它能够测量单端口网络或多端口网络的散射参数(S参数)，矢量网络分析仪往往采用扫频的方式测量被测器件(DUT)的S参数(包括幅度特性和相位特性)，然后通过内部的运算模块计算它的阻抗参数，导纳参数，传输参数等数据，但是这些数据均为频域数据。很多场景下，例如对器件特性的不连续性进行检测时，往往需要判断不连续点的位置或多径传输的问题，观测其S参数的时域数据可以非常直观的看到DUT的特性。矢量网络分析仪的时域测量技术正是该方法的应用，该技术是基于傅里叶变换理论，采用离散傅里叶变换实现频域数据和时域数据的转换。

常规时域分析法采用时域选通法对不连续点的时域波形进行开窗处理，再转换至频域计算反射系数的模值，再由平面波对理想介质分界平面的垂直入射场景下反射系数与波阻抗的关系进而推算介质的介电常数。再由介电常数结合时域不连续点的时间差计算得到介质的厚度，但是此方法的误差因素较多，首先该方法受测试带宽影响较大，带宽不足会导致时域不连续点波形发生交叠，导致无法进行时域选通。并且在时频变换过程中为了减小旁瓣，振铃效应等影响，会对信号加不同衰减系数的窗函数，关于窗的选择也是误差的来源之一。计算时域不连续点的时间差也会存在时间读取的误差。如果介质是多层介质或者有损介质，则计算误差和计算难度会大大提升，计算精度也会降低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于时域分析法的介质介电常数估计方法，采用矢量网络分析仪测量两个测试系统DUT的S参数作为参照，将两组数据分别扣除天线驻波后做除法运算，然后将数据转换到时域，通过对比分析计算介质的厚度，再由被测器件的不连续性处发生的时间相对位置差值读取电磁波在介质板中传输所耗的时间，根据此时间和已得到的介质厚度计算介电常数。本发明旨在利用新增加的对照组测试系统，结合数字信号处理相关理论，估算介质板的介电常数。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于时域分析法的介电常数估计方法，包括如下步骤：

(1)设置对照组测试系统，通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数S11，测试数据记为

(2)设置介质厚度测试系统，通过矢量网络分析仪测试聚束天线校准处的反射系数S11，测试数据记为

(3)测量天线驻波；

(4)反射系数S11频域数据处理

将介质厚度测试系统的S11频域数据扣除天线驻波后的数据，除以对照组测试系统的S11频域数据扣除天线驻波的数据，得到S_11div；

(5)S11时频变换计算介质厚度

根据步骤(4)得到的S_11div，转换到时域，测量时间观测范围终点的时移T₀；根据时移大小即可计算出介质厚度；

(6)S11时频变换计算介电常数

测量时域波形中第一个不连续处与第二个不连续处的时间差Δt，再根据介质中电磁波传播的速度和步骤(5)得到的介质厚度计算介电常数；

(7)提高介电常数测量精度