【原創(chuàng)總結(jié)】二維電磁材料/周期結(jié)構(gòu)的實驗測試方法

2017-04-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

對于平面型二維電磁屏蔽材料、透波材料或頻率選擇表面等電磁周期結(jié)構(gòu)的研究或應用,經(jīng)常需要通過實驗測試得到其電磁傳輸特性。總體來說,實驗測試包含基于傳輸線加載和自由空間加載兩類方法,下面分別予以介紹。

(1)基于傳輸線加載的測試方法

同軸法蘭法

基于同軸夾具進行平面材料傳輸特性測試,美國材料試驗學會(ASTM)先后頒布了ES7和D4935兩個標準 [1,2],其中ES7標準于1983年頒布,標準規(guī)定同軸線內(nèi)導體連續(xù),給出的有效測試頻率范圍為0-1.5 GHz,后于1988年被撤回,被D4935代替。現(xiàn)行的D4395標準為2010年修訂版本,該標準規(guī)定測試夾具內(nèi)導體斷開,使用法蘭配合塑料螺釘夾持待測平板狀材料,利用測試端面的容性耦合保持交流電連接,測試頻率下線為30 MHz,上限依然為1.5 GHz。一種典型的測試場景如圖1 所示 [3]。

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圖1 基于ASTM D4935標準的同軸法蘭屏蔽效能裝置

由于ASTM D4935的實測頻率范圍有限,很難滿足現(xiàn)代射頻測試的需求,2008年,羅馬大學的M.S. Sarto教授通過縮減同軸測量罐尺寸的方法,成功將測試頻率范圍擴大到30 MHz-8.0 GHz [4],在此基礎(chǔ)上,此后其學生A. Tamburrano又于2014年將測試頻率上限進一步提升到18 GHz [5],如圖2 所示,可以明顯看出,隨著頻率上限的不斷增加,同軸測量夾具的尺寸越來越小。

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圖2 不同測試頻率上限的同軸法蘭測試裝置設(shè)計

矩形波導法

針對平面形周期電磁結(jié)構(gòu),例如頻率選擇表面,一種普遍使用的非標準測試方法為矩形波導法[6-12],圖3(a) 和圖3(b) 分別展示了S波段和X波段的頻率選擇表面測試配置以及待測樣品外形。

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圖3 基于矩形波導加載的傳輸/反射測試系統(tǒng)

受單模工作模式限制,不同工作頻段的波導在尺寸上有很大區(qū)別,并且無法直接與射頻測試儀器直接相連,因此需要進行波導同軸轉(zhuǎn)換。實際測試時還需要特別注意兩個問題,一是測試參考面距離波導同軸轉(zhuǎn)換必須足夠遠,否則由于測試斷面以及同軸轉(zhuǎn)換處的不連續(xù)性會激勵起凋落波,影響傳輸測量;二是待測樣品邊緣必須進行導電處理,否則在進行法蘭盤裝配時,樣品加載會影響直接兩端波導的電連接。

其它方法

如圖4(a) 或圖4(b) 所示,當需要擴展加載樣品在水平方向上的尺寸時,可以采用平行雙板波導或微帶波導加工測試夾具[13-19]。

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圖4 基于特殊波導加載的傳輸/反射測試系統(tǒng)

其中平行雙板波導采用矩形波導進行饋電,波導上下內(nèi)壁分別與平行雙板上相連,上下導電板等寬,雙板兩側(cè)加載有吸波材料,測試時樣品直接放置于平行板和吸波材料之間;與平行雙板波導不同,微帶波導為開放式傳輸結(jié)構(gòu),采用同軸饋電,同軸內(nèi)芯與微帶線相連,同軸外壁與接地板相連,接地板寬度大于微帶線寬度,測試時樣品直接放置于微帶線正下方。由于傳輸線連續(xù),無需法蘭配合固定,測試樣品無需特殊導電處理。

(2)基于自由空間加載的測試方法

介質(zhì)透鏡聚束法

1989年賓夕法尼亞州立大學D.K. Ghodgaonkar教授提出利用介質(zhì)透鏡聚束法進行微波頻段樣品復介電常數(shù)測量的方法[20,21]。

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圖5 基于透鏡天線聚焦的自由空間法測試裝置

如圖5所示,發(fā)射天線和接收天線均為聚焦透鏡加載天線,天線之間水平距離為透鏡焦距的兩倍,待測樣品通過樣品支撐架固定,樣品架位于兩天線的共焦面,天線和樣品架固定于精密導軌,中心位于同一高度水平線上;根據(jù)測試頻率的高低以及發(fā)射電磁波的極化特性,選取合適焦距的透鏡和天線,使樣品測試滿足遠場條件[22]。該測試方法也被廣泛應用于頻率選擇表面等周期結(jié)構(gòu)[23,24]。

腔體/擋板開窗法

使空間電磁波透過待測樣品的另一種方法是開窗法。如圖6(a) 所示[25,26],發(fā)射天線和接收天線分別位于金屬擋板兩側(cè),金屬板中間開窗用于加載測試樣品,根據(jù)測試頻率范圍以及天線類型的不同,調(diào)整天線與擋板之間的距離,使得樣品測試滿足遠場條件;同時金屬板尺寸足夠大,使得邊緣繞射能量可以忽略不計。為進一步降低邊緣散射的影響,可在金屬板外圍加載吸波材料[27]。實際測試中還可將金屬板采用吸波墻代替,吸收窗口以外的入射波能量[28,29]。

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圖6 基于開窗法的自由空間測試系統(tǒng)

圖6(b) 還給出了一種無邊緣繞射和免邊緣處理的測試方法[30],通過塊狀吸波材料中心掏空的方式,加工出一個具有吸波邊界的傳輸腔,發(fā)射天線和接收天線分別位于腔體兩側(cè),待測樣品通過夾接的方式固定于吸波材料中間,該方法由英國約克大學A. Marvin教授于2009年提出,測量可重復性好,已在屏蔽材料和頻率選擇表面測試中得到應用[31]。與開窗法有關(guān)的還有IEEE制定的電磁屏蔽體屏蔽效能的測量方法標準,現(xiàn)行修訂版本為IEEE std 299-2006 [32],2014年新增屏蔽室尺寸在0.1 m到2.0 m的測試規(guī)范[33]。

值得指出的是,為提高測量精度,上述基于傳輸線或自由空間加載的測試方法都需要配合相關(guān)測量技術(shù)使用,如采用直通校準可以較好的去除線纜和測試夾具的附加影響,也可采用更為高級的直通-反射-延時(TRL)校準技術(shù)(具體可參考本公眾號文章,2017-04-02TRL微波器件測量去嵌入校準--原理詳解,2017-02-21TRL微波器件測量去嵌入校準--夾具設(shè)計,TRL微波器件測量去嵌入校準--實驗測試),將測試參考面直接校準到待測樣品加載處,不經(jīng)能夠測出樣品的傳輸特性,還可以準確地得到其反射特性。此外,對于有樣品加載造成的多次反射以及擋板開窗法邊緣處的散射,可通過時域門技術(shù)有效去除[20]。

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