(高清版)GBT 42741-2023 固體材料使用自由空間法的電磁參數測量方法

固體材料使用自由空間法的電磁參數測量方法2023-05-23發(fā)布I 2規(guī)范性引用文件 l3術語和定義 14縮略語 25一般要求 25.1環(huán)境條件 25.2測試樣品要求 25.3測量設備 36測量方法 46.1原理 46.2電磁參數的計算 46.3多值問題解決 56.4電磁參數測量 56.5測量步驟 67試驗報告 附錄A(資料性)自由空間法數據記錄表格 8參考文獻 9ⅢGB/T42741—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國電器工業(yè)協會提出。本文件由全國電磁屏蔽材料標準化技術委員會(SAC/TC323)歸口。本文件起草單位：青島興儀電子設備有限責任公司、上海市計量測試技術研究院、中電科思儀科技股份有限公司、安徽師范大學、中國計量科學研究院、美信新材料股份有限公司、哈爾濱工業(yè)大學、中科銳金(山東)鈦業(yè)科技有限公司、中國科學院金屬研究所、電子科技大學、江蘇省計量科學研究院、北京無線電計量測試研究所、中國電子科技集團公司第四十一研究所。本文件主要起草人：年夫順、郭榮斌、王亞海、董繼剛、趙銳、蔡青、鄒翹、陳超嬋、江子奇、陳長樂、1GB/T42741—2023固體材料使用自由空間法的電磁參數測量方法1范圍本文件描述了在2GHz～110GHz頻率范圍使用自由空間法測量固體材料電磁參數的一般要求及測量方法。本文件適用于使用自由空間法對均勻、各向同性的固體材料的復相對介電常數、復相對磁導率等參數的測量。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T2900.74—2008電工術語電路理論GB/T4365電工術語電磁兼容GB/T35679—2017固體材料微波頻段使用波導裝置的電磁參數測量方法3術語和定義GB/T2900.74—2008、GB/T4365、GB/T35679—2017界定的以及下列術語和定義適用于本文件。復相對介電常數complexrelativepermittivity通過公式(1)計算：j——虛數符號：e,——復相對介電常數；e,——復相對介電常數的實部；e,——復相對介電常數的虛部；e?！婵战殡姵担s等于8.85×10-12F/m;D——電位移矢量，單位為庫侖每平方米(C/m2);E——電場強度矢量，單位為伏每米(V/m)。注1:固體材料的復相對介電常數由材料的分子極化特性、電荷移動特性等確定。本方法中針對的固體材料為各向同性固體材料，因此每一個頻率點的復相對介電常數為單一復數。在各向異性介質中，復相對介電常數為三維空間張量。2GB/T42741—2023[來源：GB/T35679—2017,3.3,有修改]μr通過公式(2)計算： (2)式中：j——虛數符號；μ:——復相對磁導率；μ:——復相對磁導率的實部；μr——復相對磁導率的虛部；方磁感應強度矢量，單位為特斯拉(T);百——磁場強度矢量，單位為安培每米(A/m)。張量。[來源：GB/T35679—2017,3.4,有修改]散射參數scatteringparameter散射矩陣的元素。[來源：GB/T2900.74—2008,131-14-36,有修改]4縮略語下列縮略語適用于本文件。GRL:門反射傳輸線(GateReflectLine)SOLT:短路開路負載直通(ShortOpenLoadThrough)TRL:直通反射傳輸線(ThroughReflectLine)5一般要求5.1環(huán)境條件測量環(huán)境具體要求如下：a)環(huán)境溫度：(23±5)℃;b)相對濕度：≤80%,當被測件有濕度要求時，按被測件實際濕度要求測試；c)其他：周圍無影響校準、測量工作的電磁干擾和機械振動。5.2測試樣品要求測試樣品應為均勻、各向同性的方形固體材料，測試樣品應表面平整，無凹陷或凸起，宜等效厚度≥31/20波長，且等效厚度避免選擇四分之一波長整數倍。不同頻段測試樣品尺寸可參考表1的要求。注：樣品等效厚度定義為樣品厚度d·√erμr,復相對磁導率實部。表1測試樣品建議尺寸要求序號頻率f推薦尺寸表面要求邊長厚度1樣品表面平面度和兩表面平行度≤2%測試樣品厚度23注1:表面平面度定義為材料表面具有的宏觀凹凸高度與理想平面的偏差。注2:兩表面平行度定義為材料最大兩個平行面間距離允許的變化量。5.3測量設備5.3.1矢量網絡分析儀測試使用的矢量網絡分析儀至少應滿足以下條件：b)噪聲電平：≤-110dBm;c)最小分辨帶寬：≤10Hz;d)最大允許誤差：±0.5dB。根據樣品厚度配備不同厚度的金屬校準板，金屬校準板橫向尺寸應與測試樣品一致，厚度宜大于測試樣品。校準板表面應滿足：a)表面粗糙度Ra≤3μm;b)表面平面度<0.05mm;c)兩表面平行度<0.08mm。測試天線在2GHz～40GHz頻段使用微波透鏡天線(點聚焦)、40GHz～110GHz頻段使用毫米波喇叭天線，兩個天線極化匹配。具體要求分別符合表2、表3。表2微波透鏡天線(點聚焦)指標序號焦距焦斑天線口面到金屬板表面距離1與焦距相同2與焦距相同3與焦距相同4與焦距相同4GB/T42741—2023表3毫米波喇叭天線指標序號增益(典型值)口徑mm天線口面到金屬板表面距離mm1400～5002400～5003400～500千分尺量程及最大允許誤差要求：a)量程：>10mm;6測量方法6.1原理測量原理見圖1,將一個被測樣品放置在固定支架上，兩端放置天線通過電纜連接至經過校準的矢量網絡分析儀。校準后分別測量Sμ、S?、S21、S224個散射參數，代入散射參數值計算復相對介電常數和復相對磁導率。被測樣品尺寸根據不同頻率要求精密加工。天線安裝被測樣品的固定支架天線圖1測量原理圖6.2電磁參數的計算根據矢量網絡分析儀測量得到的散射參數按公式(3)～公式(7)得到被測樣品的相對介電常數和相對磁導率。P=k±√k2-1 (4) (5)5GB/T42741—2023式中：Sn、S??——測試樣品兩端的散射參數；………(6)d——測試樣品的厚度，單位為米(m);à——工作波長，單位為米(m);μr——測試樣品的復相對磁導率er——測試樣品的復相對介電常數。通過對公式(3)～公式(7)進行計算求解即可求解待測樣品的復相對介電常數、復相對磁導率。6.3多值問題解決自由空間法的測量原理中T是一個復數。則令T=|T|e,考慮到三角函數的周期性，則有公式……………根據預估低階n計算出樣品介電常數和磁導率，再計算公式(9)與公式(10),利用rgm-z、≈0,如果一致說明n的預估正確，否則逐漸調高n值，重復以上過程，直到滿足兩種方法計算結果一致為止，最終確定n的值。6.4電磁參數測量6.4.1設備連接要求設備連接示意圖見圖2、圖3。6天線口而2圖2設備連接示意圖(使用透鏡天線的情形)天線口而2圖3設備連接示意圖(使用喇叭天線的情形)6.5測量步驟自由空間校準可采用TRL校準或GRL校準，校準步驟如下。a)將矢量網絡分析儀按照儀器說明要求預熱。b)根據測量頻率選擇圖2或圖3連接測試設備。c)設置矢量網絡分析儀的起始頻率、終止頻率、測量頻率點數、中頻帶寬等，一般要求矢量網絡分析儀設置中頻帶寬不大于500Hz。d)將測試夾具放置在兩個天線的焦點上(使用透鏡天線情形)或距離天線口面400mm~500mm位置(使用喇叭天線情形),且測試夾具距離收發(fā)天線的口面距離一致。e)使用TRL校準時，將金屬校準板放置在測試夾具中，金屬板兩面處在焦平面上，并與水平面垂直，測試夾具附近應無強散射體，記錄矢量網絡分析儀的Sn、S?、S?、S??參數；取出金屬校準7板后，移動一個天線使兩天線靠近，距離為金屬板厚度的距離，記錄矢量網絡分析儀的Sμ、S?2、S??、S??參數；還原至步驟d)位置，移動天線口面1或天線口面2位置，使其相對距離增加中心頻率1/4波長，分別記錄矢量網絡分析儀的Su、S?、Sz?、S??參數，完成各項校準測試后完成所有TRL校準。TRL校準模型見參考文獻[2]和[3]。使用GRL校準時，對連接天線的電纜進行雙端口SOLT校準(頻率≤50GHz情形),將金屬校準板放置在測試夾具中，并與水平面垂直，測試夾具附近應無強散射體，根據天線與金屬板的距離通過Sn、S??找到時域上的峰值并記錄。同時記錄矢量網絡分析儀的Sn、Si?、S?1、S?2參數；取出金屬校準板后，記錄矢量網絡分析儀的Sμ、S?、S??、S2?參數；完成各項校準測試后完成所有GRL校準。GRL校準模型見參考文獻[4]。樣品測量步驟如下：a)使用千分尺測量和記錄測試樣品的厚度；b)確保測試夾具在兩個天線的焦點上，且測試夾具距離收發(fā)天線口面距離一致；c)將測試樣品放置于測試夾具中，并與水平面垂直，根據測量頻率選擇測試連接方式，如圖2或d)記錄此時矢量網絡分析儀的Sμ、Si?、S??、S??參數；e)根據6.2計算出樣品的復相對介電常數、復相對磁導率。7試驗報告試驗報告應包括以下內容：a)采用測試方法及標準；c)樣品接收日期、測試日期；e)樣品編號；f)測試結果；g)其他需要報告的內容。自由空間法數據記錄表格示例見附錄A。8GB/T42741—2023(資料性)自由空間法數據記錄表格自由空間法測量數據記錄表格示例如表A.1。表A.1自由空間法數據記錄表格測試方法依據文件編號頻率/GHzee2er——復相對介電常數的實部；er——復相對介電常數的虛部；μ:——復相對磁導率的實部；μr——復相對磁導率的虛部。[1]IEC60027-2:2019電氣技術用字母符號第2部分：電信和電子學(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology—Part2:Telecommunicationsandelectronics)[2]PACKARDH.HP8510Cnetworkanalysisoperationandprogramming[Z].Manual,[3]Kasten,J.S,Steer,M.B.Enhancedthrough-reflect-linecharacterizationoftwo-portingsystemsusingfree-spacecapacitancecalculation[J].IEEETrans.onMicrowaveTheoryan