改進(jìn)的基于Matlab GUI的微波介電常數測量系統

2013-11-24 劉德文 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院

  依據傳輸線(xiàn)測量方法,結合Matlab GUI 編程技術(shù),實(shí)現了一套介質(zhì)介電常數測量系統,測量了不同介質(zhì)在L 頻段到X 頻段內的介電常數值。該系統直接使用高頻信號源作激勵,頻譜儀作為接收機,簡(jiǎn)化了測試系統,降低誤差。編寫(xiě)Matlab GUI 人機交互界面求解超越方程,批量計算提高了計算精度和效率。測試結果和介質(zhì)標稱(chēng)值很接近,對兩種材料應用的研究提供了有力的支持。

  近年來(lái),隨著(zhù)雷達、遙控遙測、微波通信等微波技術(shù)的迅猛發(fā)展,對微波器件的系統性能提出了更高的要求,進(jìn)而對它們所用的微波介質(zhì)材

  料提出了更高的要求。微波介質(zhì)材料的電特性的測量,對于研究材料的微波特性、研制微波器件、促進(jìn)現代尖端技術(shù)發(fā)展等都有重要意義。

  微波介質(zhì)參數的測量方法,有傳輸法(如波導、同軸傳輸線(xiàn)法等)、諧振腔法和自由空間法等。傳輸線(xiàn)法以其簡(jiǎn)單易行,不需要特殊的儀表設備等特點(diǎn)常成為測試系統被選取的方法。測量線(xiàn)是一種傳統微波測量?jì)x器,可以測量開(kāi)槽波導內電壓駐波比,從而確定反射系數和阻抗數值。測量線(xiàn)簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格便宜、測量原理清晰,在微波頻段采用測量線(xiàn)測量介電常數仍是一種主要途徑。

1、原理

  介電常數r的測量屬于間接測量,它以某種函數關(guān)系式包含在可觀(guān)察的測量量?jì),因此,傳輸線(xiàn)法測量r是建立在傳輸線(xiàn)理論、特性阻抗和傳輸常數的基礎上的,通過(guò)函數關(guān)系計算出介電常數。終端短路法是傳輸線(xiàn)法的一種,實(shí)質(zhì)是網(wǎng)絡(luò )參量法,即通過(guò)介質(zhì)樣品對網(wǎng)絡(luò )參量的反應來(lái)測定r。

  利用波導測量線(xiàn)進(jìn)行兩點(diǎn)法測量時(shí),當波導管內放入長(cháng)為l的介質(zhì)樣品時(shí)等效為雙口網(wǎng)絡(luò ),如圖1所示。

終端短路法測定介電常數原理圖

圖1 終端短路法測定介電常數原理圖

  通過(guò)2094 組數據的測試和計算, 得到0.96GHz~12.40GHz 內五組介電常數數據。數據結果如表,測試計算結果有很強的一致性,為相應頻率內研究使用兩種介質(zhì)提供了支持。

  在測量線(xiàn)系統中,系統誤差包括測量線(xiàn)誤差、介質(zhì)樣塊裝配誤差、手動(dòng)測量操作誤差、讀數誤差。介質(zhì)樣塊度裝配采用緊配合壓入波導內,保證介質(zhì)樣塊和短路板緊密貼合。測量值中的偶然誤差,采用多次測量求平均值和使用交叉讀數法減小讀數誤差。利用扳手作輪軸,通過(guò)調節千斤頂高度微調滑軌移動(dòng)距離,極大地降低了手動(dòng)操作引起的誤差。

4、結論

  根據傳輸法測量介電常數理論,使用改進(jìn)的測試系統測量計算介電常數需要的數據。并用Matlab GUI 編寫(xiě)人機交互界面,利用測試數據計算了兩種介質(zhì)在0.96GHz 到12.40GHz 內不同頻點(diǎn)的介電常數值。計算結果在同一頻點(diǎn)下與計算平均值誤差小于1%,并且結算結果與介質(zhì)標稱(chēng)值很接近,對兩種材料應用的研究提供了有力的支持。