微波介质介电常数和磁导率测试方法

　　1　引　言

　　微波介质材料已在雷达、电子对抗、遥控遥测、微波通信、卫星通信、导弹制导等领域得到了广泛应用。随着科学技术的不断发展,又对微波介质材料性能提出了新的、更高的要求。为了满足这一要求,人们还在不断地探索,寻找适应各种用途的新材料。介电常数和磁导率是介质材料的重要微波参数,在研制、生产和使用介质材料时,对其微波介电常数和磁导率进行可靠、准确测量是必需的。

　　测试介质材料微波参数的方法很多,主要有谐振法和传输法。对于电磁材料,需要同时测量介电常数和磁导率,所以往往选用传输法作为测试方法。常见的传输法主要有矩形波导法[1]、同轴线法[2]和自由空间法[3~7]等。

　　由于矩形波导法和同轴线法属于闭场法,所以要求待测的材料样品与矩形波导或同轴线的横向尺寸紧密配合,这给实际加工和测试带来了困难。若所测的样品与矩形波导或同轴线的配合存在间隙,必然会给测试带来较大的测试误差[3],而自由空间法避免了类似问题的出现。自由空间法所采用的电磁波信号为线极化平面波,极化方向平行于被测平板介质材料,传播方向为板面的法线方向。因此,自由空间法不仅具有同时测试介质材料介电常数和磁导率的优点,而且还可选择极化方向进行测试,从而既能满足一般测试的需要,也能满足某些特殊测试的需要。然而,当被测材料的介电常数、磁导率和平板厚度较大时,电磁波穿过介质板的波长数可能大于1,透过的电磁波的相位可能超过一个或若干个周期,因此,测试后计算的微波介电常数和磁导率存在多值解,即存在解的模糊性问题,使得测试结果的正确性难以得到保证。

　　在解决电介质材料介电常数解的模糊性问题方面,文献[8]做过一些有益的工作,但该文献没有涉及介电常数和磁导率同时存在时解的模糊性问题。本文给出了电磁波透过被测材料样品的波长数计算式,解决了求解介电常数和磁导率的模糊性问题,实现了对微波介质材料介电常数和磁导率的可靠和准确测量。

　　2　测试原理

　　被测介质材料的复介电常数为

式中:ε₀为真空电容率,εr为相对复介电常数,ε′_r为ε_r的实部,ε″_r为ε_r的虚部。被测材料的复磁导率μ为

式中:μ₀为真空磁导率,μ_r为相对复磁导率,μ′_r为μ_r的实部,μ″_r为μ_r的虚部。测试介质材料微波介电常数和磁导率的物理模型如图1所示,被测样品为平行平板材料,厚度为d,横向尺寸足够大。设电磁波为自由空间的线极化均匀平面波,入射方向与被测材料板面垂直。被测材料可等效为二端口网络,电磁波对该网络将产生反射和透射。对其进行测试,可测得二端口网络的散射参数S₁₁和S₂₁。由麦克斯韦方程和边界条件可得[5]