基于材料反射率谐振特性测试电磁参数的自由空间法

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.61,No.22(2012)220601基于材料反射率谐振特性测试电磁参数的自由空间法丁世敬y黄刘宏李跃波薛凡喜(总参工程兵科研三所,洛阳471023)(2012年5月5日收到;2012年6月13日收到修改稿)自由空间法具有非接触、非破坏性测试特点,适于材料的电磁参数测试.根据材料反射率扫频测试的特性,提出了一种基于谐振特性测试材料电磁参数的新的自由空间法.通过理论分析,研究了发生相消和相长干涉的条件,给出了应用干涉位置和材料厚度测试材料介电常数实部的理论计

2、算公式.利用谐振峰/谷的位置及其相互关系可以计算材料介电常数虚部,而利用波谷比值法比驻波比值法容易达到更高的计算精度.关键词:自由空间法,谐振,电磁参数,干涉PACS:06.30.Ka,41,20.q,81.70.Ex了一些有效地解决方法.1引言与其他材料电磁参数测量方法相比,自由空间法具有非接触、非破坏的特点[11−16],对待测材料自1987年Cullen[1]利用菲涅耳反射定律,提样品的要求比较宽松,只需厚度均匀、平整和具有出了在自由空间测量材料电磁参数的一种有效的一定大小的测试面积即可.该

3、方法非常灵活,可以反演方法以来,自由空间法得到了越来越多的关随意改变入射电磁波的极化方向和入射角度.注.1989年Ghoduaonkar等[2]率先用透镜天线作实际测量中,自由空间方法主要基于菲涅耳定为测量的发射和接收源,实现了在自由空间对材料律的传输/反射方法,又可分为传输反射测量和单电磁参数的测试,并给出了天线与测试样品的相对反射测量.传输反射测量需要测试同一入射角下的尺寸要求.1991年Umari等[3]提出了一种全新的反射和透射系数,然后根据双端口网络模型计算材自由空间双静态校正方法,有效地

4、减少了发射天线料的电磁参数.单反射测量是利用不同状态下测出与接收天线之间的多重反射,并引入修正因子修正材料的反射系数,然后利用两次不同状态下的数据测量的复反射系数,减小了入射波在样品表面的散计算材料的电磁参数.最常用的单反射法是测试焦影响,使在自由空间对材料电磁参数的测量易于材料在有无金属衬底情况下的两次反射系数.自实现.1996年和1998年Munoz等[4,5]就电磁波由空间法测试中,由于不可避免的会存在多路反射入射角度对电磁参数测量的影响进行了研究.2002和其他背景的干扰,这将会影响散射参数

5、测量的准年Tamyis等[6]借鉴传输线中的匹配原理,利用终确性,材料的平整度、表面的粗糙度(相对测试波端开路短路法实现了测量反射系数的两种状态,使长)等也会对测试结果的准确性造成影响.为消除这些影响,业已发展了时域门测试技术[11]、聚焦计算过程十分简单,具有很好的实用价值.2002年以来,魏兵等[7−9]应用时域谐振的方法提出并发天线[12]、特殊的测试装置[13]等多种方法.展了各向异性介质材料的电磁参数反演方法.2007本文则根据频域范围内的反射率谐振位置和年张伟等[10]研究了自由空间法的

6、多值问题,提出谐振峰/谷值特性,测试材料的电磁参数.†E-mail:dsj1027@sohu.com⃝c2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn220601-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.61,No.22(2012)2206012测量理论根据电磁理论,电磁波从光密媒质入射到光疏媒质中时,存在半波损失.因为测试样品为混凝土板状2.1介质反射率干涉条件材料,考虑到电磁波从混凝土反射回空气中时的半波损失,m为偶数时,混凝

7、土上下两个介面反射的采用相关标准建立的雷达吸波材料弓形反射电磁波相位正好相反,产生相消干涉,而m为奇数率测试系统或远场RCS测试系统,在频域采用扫倍时,则产生相长干涉,由此上式可改写为频方式测试介质材料的反射率时,得到的往往是如2图1所示的谐振曲线.这是因为入射电磁波在材料εrµr=[(mc0)/(4fd)],m=1,2,3,


(5)表面的部分反射波与透过材料的电磁波被基板多(5)式即可用来计算混凝土介质板的介电参数.次反射形成相干和相长干涉的结果.如果介质材料对于大部分非磁性材料而言,µr=1

8、,于是上式的厚度正好为λ/4的奇数倍时,则两个面上反射的可以简化为电磁波相位正好相反,从而发生相消干涉,使反射ε=[(mc)/(4fd)]2,m=1,2,3,


(6)波相互抵消;而在介质材料厚度正好为λ/4的偶数r0倍时,两个面上反射的电磁波相位正好相同,从而对于无耗非磁性材料,由此即可直接得到材料介电发生相长干涉,它们分别对应谐振曲线的波谷和波参数的实部.峰.根据这种测试曲线的谐振特性,既可计算得出材料的电磁参数.2.3有耗介质的介电常数0对于有耗材料,则有介电