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付平;巩莉;郑华山
【摘 要】波导馈源系统中的吸取负载通常要求体积小、 构造紧凑,需要在电磁仿真软件中进展设计优化,,提出一种吸波材料电磁参数的测试方法,使用矢量网络和简洁的测试工装即可得到较为准确的结果,,适用于具有互易性和各向同性的材料,对较高频段如 ka 频段的材料测量也适用.
【期刊名称】《无线电工程》
【年(卷),期】2025(049)004
【总页数】5 页(P332-336)
【关键词】介电常数;磁导率;吸波材料;匹配负载
【作 者】付平;巩莉;郑华山
【作者单位】北京航天光华电子技术,北京 100039;北京航天光华电子技术,北京 100039;北京航天光华电子技术,北京 100039
【正文语种】中 文
【中图分类】TN82
引言
随着车载动中通技术的不断进展，对天馈系统的要求越来越高。为了保证天线系统的指标，有时需要通过波导匹配负载来吸取掉系统中的反射波或穿插极化信号。波
导匹配负载通常为一段终端短路的波导，里面沿电场方向放置一块楔形吸取体，吸
收体的材料可以用羟基铁和聚苯乙烯的混合物做成[1-2]，吸取性能的大小主要是由材料的介电常数和磁导率的虚部打算的[3-4]。为了设计出满足指标和尺寸要求的波导匹配负载，最有效的方法是运用三维电磁仿真软件进展建仿照真，例如HFSS，CST，Feko 等，但首先需要获知材料的电磁参数。通常材料的电磁参数测试技术分为网络参数法和谐振腔法两大类[5]，网络参数法又分为时域法[6]、传输/ 反射法、多状态法[7]和自由空间法[8]等，其中由 Niclson，Ross，Weir 等人提
出的传输/反射法[9]由于具有宽频带、操作简洁且精度较高等特点而得到广泛应用。然而，对于吸波材料，尤其是吸取性能较强的材料，在较高频段上进入样品的电磁波有可能由于衰减较快而使得传输系数 S21 格外小，甚至接近于 0，大大影响了
测试精度；假设将样品做得很薄，又很难将其装卡进波导管中固定不动并保持与波导轴线垂直的状态，给操作带来了很大的麻烦。
本文给出一种利用矢量网络测试吸波材料电磁参数的方法。在较低频段时沿用了传输/反射法的根本思路，但在反演计算公式上做了较大简化，在较高频段时假设样品不便利装卡，则可承受另一种反射法的思路。这种方法也可用在试验室资源条件有限，矢网只能进展单端口校准的状况。文章最终给出了此次试验的结果。
传输/反射法测试原理
对吸波材料电磁参数的测试，实际上是确定其等效介电常数和的实部和虚部的过程[10-11]。设即是要求解 ε”(ω)，ε” ”(ω)，μ”(ω)，μ” ”(ω)四个未知数。可通过测试塞入吸波材料样品的直波导 S 参数的方法来推导计算出材料的复介电常数和复磁导率。
吸波材料电磁参数的测试原理如图 1 所示，预备一根损耗很小的标准接口矩形直波导和截面尺寸与矩形波导完全一样的待测材料样品块，用卡尺准确测量并记录直波导的长度 Lt，设待测材料样品块的尺寸为 a×b×L2，L2 的取值应依据实际状况
而定，可以预备几块不同厚度的样品，测试时将它们一一塞进波导后观看插损的变
化状况，选取插损有明显降低但不至于太低的那块，例如-3～-10 dB 的范围内。将选好的样品塞进直波导，用卡尺大致测量出塞进的深度 L1。
图 1 吸波材料电磁参数的测试原理
将 2 个波导同轴转换接头连接矢量网络的线缆后从两波导同轴转换的波导口面(如图 1(a)中参考面 C 和 D)进展校准，然后将其连接已塞入材料样品的直波导两端，矢网保存 S 参数测试结果——S11,S12,S21,S22 的幅度和相位信息，就可以计算出要求的 ε”(ω)，ε” ”(ω)，μ”(ω)，μ” ”(ω)了。推导过程如下：
设填充材料后的波导的传播系数为波阻抗为空气波导的传播系数为波阻抗为无视空气直波导的损耗，即假设参考面 C-D 之间的二端口网络的 S 参数矩阵为：
(1)
则参考面 A-B 之间的二端口网络的 S 参数矩阵为：
(2)
设 SA-B 对应的归一化 A 矩阵为理论上参考面 A-B 之间的二端口网络可以看成是3 个局部的级联[12-13]：空气—待测材料的交界面、填充材料的波导传输线(长度
L2)、待测材料—空气的交界面。3 局部的归一化 A 矩阵都可以通过公式计算出来， 则为 3 个矩阵相乘，计算整理如下：
(3)
于是可以列出方程组： (4)
从而解出和再依据与的关系，即可解出 ε”(ω)，ε” ”(ω)，μ”(ω)，μ” ”(ω)。
留意由于通常样品塞入的深度 L1 不便利准确测量，而直波导的长度 Lt 和样品厚度L2 可以准确测量，又依据 A-B 之间的二端口网络的对称性，即 s”11=s”22，可以依据来得到 s”11 较为准确的计算结果。
反射法测试原理
假设测试频段较高，而材料的吸波性能比较强，样品放入波导后测出的传输系数S21 很小，而假设将样品加工得很薄，又很难将其装进波导中且使其保持和波导轴线完全垂直；另一方面，有的试验室资源条件欠缺，无法对矢网进展二端口校准或者二端口校准精度不够，但可以进展单端口准确校准的状况下，可以考虑反射测试方法，原理如下：
在一根短路波导底部塞入一片厚度为 Lq 的吸波材料，如图 2 所示。图 2 反射法测量材料的电磁参数
其中材料外表的反射系数为：
(5)
波导口处的反射系数为去掉吸波材料后，波导口的反射系数为再在短路波导底部塞入一片厚度为 Lp 的吸波材料，同理，
(6)
设简洁推出：
(7)
解方程求出参数 x，然后求出剩余的参数。通常此方程需要用数值的方法解出。3 一种简洁的二端口网络的校准方法
所谓校准就是测量一组器件，依据测试结果和器件的特性比较，列出方程
求解未知项，为后续的测量供给修正[14-15]。上述的测试过程中需要将校准面定为所用波导同轴转换的波导口面，例如本文中承受 BJ140 的转换接头，即需要配备 BJ140 规格的波导校准箱[16-17]，否则测试结果中将包含夹具(即波导同轴转换)的影响，通常表现为频率响应曲线上引入较大的抖动波浪[18]。然而实际应用中很难实现配置全部频段的波导校准件，假照试验室正好不具备所需波导校准件， 也不需要另行购置，可以用以下替代方法进展校准。
将每个波导同轴转换接头看成一个二端口网络，如图 3 所示，将其输出端接某负载时，输入端的反射系数为：
(8)
图 3 二端口网络的一端接某一负载负载可以设定为八分之波长短路波导、四分之波长短路波导和金属短路板(即即对于每个负载都测出输入端的反射系数(包括幅度和相位)，即可列出 3 个方程，再依据互易网络的条件，即即得到 4 个方程，从而可以解出
四个未知数。
图 1 中，假设仅能对矢网线缆的同轴端面进展校准，则可在完成 S 参数的测试后， 将 S 矩阵转换成归一化 A 矩阵，然后左右各乘以所用波导同轴转换的 A 矩阵的逆， 即得到 C-D 参考面间的 A 矩阵，再转换成 S 矩阵，即为式(1)中的 SC-D。
4 测试结果及分析
依据上述传输/反射法测得的某吸波材料在 Ku 频段上的介电常数和磁导率如图 4 和图 5 所示。
图 4 吸波材料 Ku 频段的介电常数
图 5 吸波材料 Ku 频段的磁导率
依据上述反射法测得的某吸波材料在 Ka 频段的介电常数和磁导率如图 6 和图 7 所示。
图 6 吸波材料 Ka 频段的介电常数图 7 吸波材料 Ka 频段的磁导率
将测得的材料参数代入仿真软件进展波导吸取负载的优化设计并完成加工和测试， 结果如图 8 和图 9 所示，可以看出在各自的设计频段内(分别为 14～14. 5 GHz 和29～30 GHz)波导吸取负载的驻波测试结果都小于 1. 1，且和仿真值吻合良好。 图 8 Ku 频段波导负载仿真和测试驻波
图 9 Ka 频段波导负载仿真和测试驻波5 完毕语
本文给出了一种吸波材料电磁参数的测试方法，并针对此方法在频率较高、吸波材料吸取效果较强的状况下测试困难的问题提出了一种可选方案。这种方案还可应用于由于试验室条件限制无法对矢量网络进展二端口校准或者二端口的校准精度不够高，但可进展单端口准确校准的情形。
另外，由于测试过程要求从波导端面进展校准，假照试验室不具备波导校准箱也不需要另行购置，本文给出了一种替代的校准方案，这种方案已经过屡次测试验证， 可有效去除波导同轴转换接头及其他测试工装的影响。
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