(高清版)GBT 42741-2023 固体材料使用自由空间法的电磁参数测量方法

固体材料使用自由空间法的电磁参数测量方法2023-05-23发布I 2规范性引用文件 l3术语和定义 14缩略语 25一般要求 25.1环境条件 25.2测试样品要求 25.3测量设备 36测量方法 46.1原理 46.2电磁参数的计算 46.3多值问题解决 56.4电磁参数测量 56.5测量步骤 67试验报告 附录A(资料性)自由空间法数据记录表格 8参考文献 9ⅢGB/T42741—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电器工业协会提出。本文件由全国电磁屏蔽材料标准化技术委员会(SAC/TC323)归口。本文件起草单位：青岛兴仪电子设备有限责任公司、上海市计量测试技术研究院、中电科思仪科技股份有限公司、安徽师范大学、中国计量科学研究院、美信新材料股份有限公司、哈尔滨工业大学、中科锐金(山东)钛业科技有限公司、中国科学院金属研究所、电子科技大学、江苏省计量科学研究院、北京无线电计量测试研究所、中国电子科技集团公司第四十一研究所。本文件主要起草人：年夫顺、郭荣斌、王亚海、董继刚、赵锐、蔡青、邹翘、陈超婵、江子奇、陈长乐、1GB/T42741—2023固体材料使用自由空间法的电磁参数测量方法1范围本文件描述了在2GHz～110GHz频率范围使用自由空间法测量固体材料电磁参数的一般要求及测量方法。本文件适用于使用自由空间法对均匀、各向同性的固体材料的复相对介电常数、复相对磁导率等参数的测量。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T2900.74—2008电工术语电路理论GB/T4365电工术语电磁兼容GB/T35679—2017固体材料微波频段使用波导装置的电磁参数测量方法3术语和定义GB/T2900.74—2008、GB/T4365、GB/T35679—2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件。复相对介电常数complexrelativepermittivity通过公式(1)计算：j——虚数符号：e,——复相对介电常数；e,——复相对介电常数的实部；e,——复相对介电常数的虚部；e。——真空介电常数，约等于8.85×10-12F/m;D——电位移矢量，单位为库仑每平方米(C/m²);E——电场强度矢量，单位为伏每米(V/m)。注1:固体材料的复相对介电常数由材料的分子极化特性、电荷移动特性等确定。本方法中针对的固体材料为各向同性固体材料，因此每一个频率点的复相对介电常数为单一复数。在各向异性介质中，复相对介电常数为三维空间张量。2GB/T42741—2023[来源：GB/T35679—2017,3.3,有修改]μr通过公式(2)计算： (2)式中：j——虚数符号；μ:——复相对磁导率；μ:——复相对磁导率的实部；μr——复相对磁导率的虚部；方磁感应强度矢量，单位为特斯拉(T);百——磁场强度矢量，单位为安培每米(A/m)。张量。[来源：GB/T35679—2017,3.4,有修改]散射参数scatteringparameter散射矩阵的元素。[来源：GB/T2900.74—2008,131-14-36,有修改]4缩略语下列缩略语适用于本文件。GRL:门反射传输线(GateReflectLine)SOLT:短路开路负载直通(ShortOpenLoadThrough)TRL:直通反射传输线(ThroughReflectLine)5一般要求5.1环境条件测量环境具体要求如下：a)环境温度：(23±5)℃;b)相对湿度：≤80%,当被测件有湿度要求时，按被测件实际湿度要求测试；c)其他：周围无影响校准、测量工作的电磁干扰和机械振动。5.2测试样品要求测试样品应为均匀、各向同性的方形固体材料，测试样品应表面平整，无凹陷或凸起，宜等效厚度≥31/20波长，且等效厚度避免选择四分之一波长整数倍。不同频段测试样品尺寸可参考表1的要求。注：样品等效厚度定义为样品厚度d·√erμr,复相对磁导率实部。表1测试样品建议尺寸要求序号频率f推荐尺寸表面要求边长厚度1样品表面平面度和两表面平行度≤2%测试样品厚度23注1:表面平面度定义为材料表面具有的宏观凹凸高度与理想平面的偏差。注2:两表面平行度定义为材料最大两个平行面间距离允许的变化量。5.3测量设备5.3.1矢量网络分析仪测试使用的矢量网络分析仪至少应满足以下条件：b)噪声电平：≤-110dBm;c)最小分辨带宽：≤10Hz;d)最大允许误差：±0.5dB。根据样品厚度配备不同厚度的金属校准板，金属校准板横向尺寸应与测试样品一致，厚度宜大于测试样品。校准板表面应满足：a)表面粗糙度Ra≤3μm;b)表面平面度<0.05mm;c)两表面平行度<0.08mm。测试天线在2GHz～40GHz频段使用微波透镜天线(点聚焦)、40GHz～110GHz频段使用毫米波喇叭天线，两个天线极化匹配。具体要求分别符合表2、表3。表2微波透镜天线(点聚焦)指标序号焦距焦斑天线口面到金属板表面距离1与焦距相同2与焦距相同3与焦距相同4与焦距相同4GB/T42741—2023表3毫米波喇叭天线指标序号增益(典型值)口径mm天线口面到金属板表面距离mm1400～5002400～5003400～500千分尺量程及最大允许误差要求：a)量程：>10mm;6测量方法6.1原理测量原理见图1,将一个被测样品放置在固定支架上，两端放置天线通过电缆连接至经过校准的矢量网络分析仪。校准后分别测量Sμ、S₂、S21、S224个散射参数，代入散射参数值计算复相对介电常数和复相对磁导率。被测样品尺寸根据不同频率要求精密加工。天线安装被测样品的固定支架天线图1测量原理图6.2电磁参数的计算根据矢量网络分析仪测量得到的散射参数按公式(3)～公式(7)得到被测样品的相对介电常数和相对磁导率。P=k±√k²-1 (4) (5)5GB/T42741—2023式中：Sn、S₂₁——测试样品两端的散射参数；………(6)d——测试样品的厚度，单位为米(m);à——工作波长，单位为米(m);μr——测试样品的复相对磁导率er——测试样品的复相对介电常数。通过对公式(3)～公式(7)进行计算求解即可求解待测样品的复相对介电常数、复相对磁导率。6.3多值问题解决自由空间法的测量原理中T是一个复数。则令T=|T|e,考虑到三角函数的周期性，则有公式……………根据预估低阶n计算出样品介电常数和磁导率，再计算公式(9)与公式(10),利用rgm-z、≈0,如果一致说明n的预估正确，否则逐渐调高n值，重复以上过程，直到满足两种方法计算结果一致为止，最终确定n的值。6.4电磁参数测量6.4.1设备连接要求设备连接示意图见图2、图3。6天线口而2图2设备连接示意图(使用透镜天线的情形)天线口而2图3设备连接示意图(使用喇叭天线的情形)6.5测量步骤自由空间校准可采用TRL校准或GRL校准，校准步骤如下。a)将矢量网络分析仪按照仪器说明要求预热。b)根据测量频率选择图2或图3连接测试设备。c)设置矢量网络分析仪的起始频率、终止频率、测量频率点数、中频带宽等，一般要求矢量网络分析仪设置中频带宽不大于500Hz。d)将测试夹具放置在两个天线的焦点上(使用透镜天线情形)或距离天线口面400mm~500mm位置(使用喇叭天线情形),且测试夹具距离收发天线的口面距离一致。e)使用TRL校准时，将金属校准板放置在测试夹具中，金属板两面处在焦平面上，并与水平面垂直，测试夹具附近应无强散射体，记录矢量网络分析仪的Sn、S₂、S₂、S₂₂参数；取出金属校准7板后，移动一个天线使两天线靠近，距离为金属板厚度的距离，记录矢量网络分析仪的Sμ、S₁2、S₂₁、S₂₂参数；还原至步骤d)位置，移动天线口面1或天线口面2位置，使其相对距离增加中心频率1/4波长，分别记录矢量网络分析仪的Su、S₂、Sz₁、S₂₂参数，完成各项校准测试后完成所有TRL校准。TRL校准模型见参考文献[2]和[3]。使用GRL校准时，对连接天线的电缆进行双端口SOLT校准(频率≤50GHz情形),将金属校准板放置在测试夹具中，并与水平面垂直，测试夹具附近应无强散射体，根据天线与金属板的距离通过Sn、S₂₂找到时域上的峰值并记录。同时记录矢量网络分析仪的Sn、Si₂、S₂1、S₂2参数；取出金属校准板后，记录矢量网络分析仪的Sμ、S₂、S₂₁、S2₂参数；完成各项校准测试后完成所有GRL校准。GRL校准模型见参考文献[4]。样品测量步骤如下：a)使用千分尺测量和记录测试样品的厚度；b)确保测试夹具在两个天线的焦点上，且测试夹具距离收发天线口面距离一致；c)将测试样品放置于测试夹具中，并与水平面垂直，根据测量频率选择测试连接方式，如图2或d)记录此时矢量网络分析仪的Sμ、Si₂、S₂₁、S₂₂参数；e)根据6.2计算出样品的复相对介电常数、复相对磁导率。7试验报告试验报告应包括以下内容：a)采用测试方法及标准；c)样品接收日期、测试日期；e)样品编号；f)测试结果；g)其他需要报告的内容。自由空间法数据记录表格示例见附录A。8GB/T42741—2023(资料性)自由空间法数据记录表格自由空间法测量数据记录表格示例如表A.1。表A.1自由空间法数据记录表格测试方法依据文件编号频率/GHzee2er——复相对介电常数的实部；er——复相对介电常数的虚部；μ:——复相对磁导率的实部；μr——复相对磁导率的虚部。[1]IEC60027-2:2019电气技术用字母符号第2部分：电信和电子学(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology—Part2:Telecommunicationsandelectronics)[2]PACKARDH.HP8510Cnetworkanalysisoperationandprogramming[Z].Manual,[3]Kasten,J.S,Steer,M.B.Enhancedthrough-reflect-linecharacterizationoftwo-portingsystemsusingfree-spacecapacitancecalculation[J].IEEETrans.onMicrowaveTheoryan