电子计量测试的发展动向和趋势(一)

电子计量测试的发展动向和趋势(一)


1 概述
  整个电磁频谱包括从直流到可见光的宽广的频率范围。通常,电磁计量涉及的是直流和低频的电磁参量计量,其频率上限一般不超过几十kHz。而电子计量具有极为宽广的频率覆盖,其低端往往与直流和交流电磁计量交叉,高端则可达亚毫米波段(300~3000GHz),并与光学计量交叉。电子计量现今国际通行的频率覆盖范围为lOkHz~3000GHz。通常,lMHz~300MHz称为高频,300MHz~30GHz称为微波,30GHz~300GHz称为毫米波,300~3000GHz称为亚毫米波。因此,电子计量从覆盖的电磁频谱范围看,包括高频计量、微波计量、毫米波和亚毫米波计量三部分。电子计量是以元线电电子学中经常遇到并需要测量的高频与微波电磁参量为研究对象的,电子计量的研究重点是某些较为基本的便于独立测量的参量(或参数)。这些基本参量的量值标准可以从基本单位m,s,kg,A,K等的量值基准导出,但是,导出链是冗长而复杂的。
  电子计量测试所包含的内容是不断发展和变化的。例如,电子管电压表问世之前,热偶式电流表是最通用的无线电测量仪器之一,鉴于电子管电压表寄生参量影响小、频率和量程宽、输入阻抗离、过载能力强等优点,很快取代了高频电流表。所以,许多国家1960年代以前研制的高频电流标准已基本搁置不用,而电压则成为电子计量最基本的参量之一。随着频率增高,出现了分布参数系统。在微波频率上,功率参量又取代了电压参量的重要地位。1970年代因微电子技术的发展,以及数字系统的崛起,出现了半导体参量计量测试与数据域测量。1980年代随着光纤通信、移动通信和数字通信技术的发展,促进了光纤电参量特别是它的传输特性参量(如光纤带宽、衰耗、色散、场分布等),以及数据域参量(如误码率、相位抖动、数据幅度、脉宽、群延迟等)计量测试的发展。“信息高速公路”(Information Super Highway)掀起了1990年代新的元线电电子学发展热潮。它是集光波、亚毫米波、毫米波、微波、RF、近代通信网、近代广播电视网、计算机网络等高科技于一体的高速大容量交互式综合信息网络系统。在信息传输和交换中,频率调制方式大多取代了过去的幅度调制或单边带调和(SSB)。现代移动通网越来越多地使用相移键控(PSK)或频移键控(FSK)调制方式z此外,为易于实现数字传输,调制前,比特流经过一高斯滤波器进行频率调制,称之为高斯最小频移键控(GFSK)的调制方式,它能在频谱效率(bit/Hz)和信噪比之间提供良好的折衷,提高信息传输质量和抗干扰度。因而出现了所谓调制域计量测试。随着全球电子设备的日益增多,近20年来,对电磁干扰和电磁兼容的计量测试的需求日益增多。
  近代高新技术的发展.使频谱资源得到越来越多的开发利用,无线电电子学的分支越来越多,越来越细。众多的电磁参量(或参数)、宽广的频率范围和量程、多种多样的传输线和接头形式,对电子计量测试领域提出了严重的挑战。

  2 电子计量的特点
  (1)待计量参量种类繁多
  电磁波可以沿传输线传输,也可以在自由空间传播。前者涉及的基本参量包括电压、功率、衰减、阻抗、噪声、介电常数、损耗角等;后者涉及的参量包括电场强度、磁场强度、功率通量密度以及与天线有关的各种参量,如增益、方向性、极化等。因而在电子计量测试领域,需要测量的电磁参量(或参数)为数众多,它们大致可分为两大类:(a)表征信号特征的参量。诸如电压、电流、功率、场强(电场强度、磁场强度、功率通量密度)、频率、波长、波形参数(包括失真)、脉冲参数、调制参数、频谱参数(频率成份、频谱纯度、边带噪声等)、噪声(等效噪声温度、超噪比、功率谱密度、相位噪声)等。(b)表征网络特征的参量。诸如集总参数电路参量(电阻、电导、电抗、电纳、电感、电容)、反射参量(输入输出阻抗、电压驻波比、反射系数、回波损失)、传输参量(衰减、相位移、增益、时延等)、表征电子无黯件及设备特性的参量(如灵敏度、效率、噪声系数、信噪比、跨导、晶体管的各种参数等)、电子元器件谐振特性参量(谐振频率、带宽、品质因素Q等)、材料特性参量(介电常数、损耗角正切、导磁率等)等等。
  对于日益增多的电子计量测试项目,按量值或参量(或参数)来分类.可以分为基本参量、二次导出参量、专用测量参量。基本参量包括频率、电压、功率、噪、衰减、阻抗和相位移(它们描述电磁波在传输线中传输的特性);场强或功率通量密度以及与天线有关的参量(它们描述电磁波在空间传播的特性)。
  由上述基本参量导出但需要由专门仪器测量的二次导出参量。主要有脉冲波形参量(幅度、时间间隔、上升下降时间等)、频谱参量、失真度、调制度、材料的电磁特性等。除上述电子计量测试的通用、常规参量外,还有大量专用参量。它们分别对应电子仪器中的专门类别,诸如电子器件参数测量仪器、广播电视测量仪器、通信测量仪器等等。这些专门类别的电子测量仪器所涉及的参量既有上述通用参量,亦有针对性很强的专用参量,如广播音响测量仪器中的抖晃率、数字通信测量仪器中的误码率、抖动、群延迟等。中国计量科学研究院无线电处负责建立、保存、和改进电子计量国家基准或标准,研究精密测量理论与技术,进行国际比对,开展量值传递与提供量值溯源,以保证全国电子计量单位的统一及量值的准确可靠。国家基准或标准主要是研制上述基本参量和部分二次导出参量的国家基准或标准;同时亦研制对国民经济有重大影响的专用参量,以及近代科技前沿的专用参量的国家标准。
  如前所述,电子计量是以无线电电子学中经常遇到并需要测量的高频与微波电磁参量为研究对象的,电子计量涉及的参量众多,其主要参量及其单位见表1。
表1 电子计量主要参量及其单位

参量名称 单 位 参量名称 单 位
频 率 Hz 波 长 m
电 压 V 电 流 A
功 率 W 复数阻抗 Ω
复数导纳 Ω-1 复数反射系数 无量纲
电压驻波比 无量纲 品质因数(Q值) 无量纲
衰 减 无量纲 相位移 度(°)
噪声温度 K 噪声系数 无量纲
噪声功率谱密度 WHz-1 电场强度 Vm-1
磁场强度 Am-1 功率通量密度 Wm-2
天线增益 无量纲 天线效率 无量纲
复数介电常数 无量纲 复数相位导磁率 无量纲
失真系数 无量纲 调幅度 无量纲
调频度 无量纲


  (2)量程和频段极为宽广
  在电子计量中,待计量的参量所覆盖的量程通常都是很宽的。例如常规功率计量,其量程从纳瓦到兆瓦。量程覆盖达1:1015量级。至于实际需要的功率计量量程就更为宽广。从射电星或宇宙飞船发回到地面的噪声及信号功率大多低于10(13W,而远程雷达向空间发射的脉冲功率却高达1010W以上。如前所述,电子计量的频率覆盖通常达109量级。对于如此宽广的量程和频段,显然很难用一个标准装置来覆盖。实际上,对于同一参量的不同频段,需要采用不同的计量方法和计量设备,并为此而分别建立相应的计量标准和器具。
  (3)传输线和接头形式多种多样
  随着频率由低到高,电子系统中的传输线有双线、电缆、同轴线、带状线、微带线、矩形或圆形金属披导、介质波导、光纤等多种形式。每种传输线又有不同的型号、尺寸、规格。例如,一些常用的传输TEM波的50(阻抗空气同轴传输线有如表2所示的尺寸。对于不同尺寸的50(阻抗空气同轴传输线,有不同的接头形式。与常用的14mm,7mm,3.5mm和2.9mm同轴线相对应的接头分别是APC-14型、N型APC-7型、SMA型/APC3.5型和K型等。除了50(阻抗系统和接头,还有75(阻抗系统和接头,例如广播电视系统和部分通信系统,采用75(阻抗传输线和F接型头。对于传输非TEM波的金属波导系统,又细分为许多截面尺寸不同的波导波段。目前应用最广泛的是矩形截面金属波导系统,常用波段有lmm,3mm,8mm,1.25cm,2cm,3cm,5cm和lOcm矩形截面。针对不同的传输线、接头型式和阻抗,均需要建立相应的计量标准。由于传输线和接头形式多种多样,除了造成机械连接的复杂性之外,还引起电磁波传输的电气性能的的变化。电气性能的变化对计量的影响,主要表现为电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。目前,只有少数电子工业发达国家的国家计量研究机构,在上述各传输线、接头型式和阻抗系统部分建立了国家计量标准。
表2 常用50(阻抗空气同轴线标准尺寸和有关电气性能


外导体
内径
mm
内导体
外径
mm 工作频率
阻抗不确定度
理论值GHz
上限GHz 实验定%
通用%
14.288
6.204 9.5
8.5 0.05
0.20
7.00
3.040 19.4
18.0 0.10
0.20
3.500
1.520 38.8
33.0 0.20
0.40
2.921
1.268 46.5
40.0 0.30
0.80
2.400
1.042 56.5
50.0 0.40
0.80
1.850
0.803 73.3
65.0 0.50
1.00
1.000
0.434 135.7
110.0 0.60
1.20


  (4)量值传递链较短
  电子计量标准的不确定度大都在0.1%~1.0%量级,所以在电子计量各参量的检定系统表中,传递等级比其他专业计量的传递等级较少,一般都只有3级,少数参量只有两级,即工作计量器具和国家计量标准。

  3 毫米波计量
  1980~90年代毫米波技术获得了突飞猛进的发展。随着毫米波单片集成电路的研制、开发和批量生产,毫米波在通信、射电天文、生物医学、地面和空中交通管制、汽车防撞雷达、焦平面成像等领域得到广泛应用。
  毫米波单片集成电路和计算机芯片的线宽已小于0.1(m,半导体基片材料和集成工艺更加多样化,对半导体计量测试提出了巨大挑战。
  随着传输线和固态器件向高频段发展,开发毫米波同轴接头的呼声日高。以前常采用的同轴接头,如SMA及其衍生系列,缺乏所需的耐用性和重复性,而且不能提供对国家标准的溯源性,APC-7和N型的耐用性和重复性均属上乘,但频率上限仅达18~20GHz,APC-3.5可工作在34GHz。近年来许多公司推出了各自的毫米波同轴接头,如2.4,2.92,1.9mm同轴接头等。在设计中追求的目标是:单模工作,高性能界面,坚固耐用,重复性好,制造容差不比APC-3.5更苛刻,成本要能与现有接头相竞争,在正常使用中不易损坏阴性接触,拥有各种装配结构组合,全金属化,具有可溯源的途径。毫米波同轴接头的出现,给计量测试提出了如何评价其性能的课题,如特性阻抗、反射系数、插入损耗、屏蔽效能(RF泄漏)、接触电阻以及这些特性的重复性,此外,还有机械和物理特性的评价问题。
  Wiltron的K接头可工作在46GHz,已用于装配该公司的360系列ANA,561 SANA,6669A扫频发生器,SWR自动测试仪,以及用于装配检波器、衰减器、定向藕合器、PIN开关等多种产品。K接头可以在电气上和机械上与SMA和APC-3.5相兼容;据厂方声称,可以通过现有的标量网络分析仪,将其反射和传输特性溯源到NIST。Hewlett-Packard,Amphenol和M/A COM Omd Spectra联合研制出一种可工作到5OGHz的2.4mm同轴接头。它分为三个级别;“产品级”有OS-50系列。由Omni Spectro生产,适合于元器件、电缆和微带线装配;“仪器级”有APC-2.4,由 Amphenol生产,用于装配测试仪器和设备;“计量级” 由Hewlett-Packard生产,装配在精密测量或标准仪 器上,其性能可溯源到NIST(美国标准与技术研究院)。例如HP8487D功率传感器配备2.4mm(阳性)同轴接头。
  时域测量技术取得了重大进展,最有代表性的是Hypers公司生产的PSP-1000型的ps信号处理装置,它与低温控制和超导电子学相结合,利用约瑟夫逊超导结获得高速脉冲,得到了70GHz带宽和5ps上升时间。在40~110GHz测量TE01圆波导插入损耗和延迟的时域技术,测量幅度的准确度在0.ldB(rms)以内,测量延迟的准确度为0.lns(rms)。
  Tektrmix,Hewlett-Packard和安立等厂家生产的频谱分析仪,上限额率可达325GHz,机内频率计数器的准确度为10-9,动态范围达144dB。
  迄今,30~100GHz的毫米波波导技术已达到厘米波技术的水平,给当代电子计量提出了新的课题。各国都先后研制了毫米波频段功率、衰减、阻抗、噪声标准。
  NIST波导功率标准覆盖了26.5~110GHz的4个波导频段;采用中频替代法在26.5~65GHz两个披导频段建立衰减标准;在26.5~110GHz的4个波导频段建立噪声标准等等。NIST还在l00kHz~100GHz频段内,采用六端口技术建立阻抗、衰减和相位的国家标准,并进行功率量值传递和测量线性互易二端口的S参数。S12的幅值(衰减)量程为0~60dB,分辨力为10-4~0.ldB,相移分辨力为0.001(~l(。中国计量院在26.5~40GHz频段用六端口技术建立阻抗、衰减和相位的国家标准,以及小功率国家标准;其技术指标和测量不确定度与NIST相当。1980年代已有若干六端口装置的商品问世,Micro-Now的商品六端口矢量反射计的频率覆盖为26.5~40、33~50GHz,Flam微波公司已将26~114GHz的单六端口接头投放市场,Hughes、Norsal和Microwave Develop Labs等则可为用户订做毫米波六端口网络.80年代以来,采用扩频技术已将网络分析仪的频率扩展到170GHz。俄、德、英、法、日、加拿大、荷兰等国和我国计量研究机构亦在部分毫米波段建立了相应的国家标准,并在向更高的频率拓展.各国为了验证已建立的国家计量标准的不确定度及其评定的可靠性,由国际计量局(BIPM)安排了一系列毫米段的国际比对,包揽33.35.45,65,75,94GHz的功率比对340,70,94GHz波导噪声温度比对;R320(WR28)波导的27,35和40GHz的复反射系数(阻抗)和衰减比对375~110GHz的反射系数比对毫米披喇叭天线增益以及100GHz以上的毫米波和亚毫米波参量的国际比对等。由此可见,国际上对毫米波计量测试是极为关注的。
  在计量测试领域,18GHz以上频率的同轴技术近30年来取得了不小进步,但没有重大突破。主要原因是受同轴传输线和同轴接头制造技术的限制,难以减小电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。HP公司与NIST联合研制一种正温度系数热敏电阻功率传感器已有多年,设计的频率范围从直流到50GHL装配2.4mm同轴接头。其工艺技术是在砷化镓微波微电路基片上制造精密50(电阻。这种正温度系数热敏电阻功率传感器可以配用诸如HP 432A功率计、NET-4型功率计,具有优良的输入VSWR。这种新型功率传感器,可用于建立~50GHz同轴功率国家标准及其传递标准。

   4 电磁兼容性能的计量测试
  电子技术的发展促进了社会的进步,但是,大量使用的电子和电气设备均会产生有意或非故意的干扰辐射,与此同时,它们本身亦面临着在电磁环境下工作被干扰的问题。如何使电子产品减小非故意的辐射,并能在一定的电磁环境下正常工作,这就是电磁兼容(EMC)。
  生产满足电磁兼容标准的电子设备和系统,将增加电子工业和其他工业的商业竞争能力。因此,电磁兼容性已成为电子、电气设备和系统的一个重要技术特性,它引起世界各国的普遍关注。各国均制订有本国的电磁兼容标准,国际组织(如IEC)均制订有国际标准。美国制订有三组EMC标准:商业标准、军用标准和国际标准.我国则是全面推行IEC标准。
  NIST的计量专家指出,需要在三个应用方面改进测量能力:①抗扰度(EMS)测试,②辐射(EMI)测试以及③电磁环境的表征和相关标准的制订。测量的频率范围要求覆盖0~30OGHz。这种新的测量能力的一个重要用途将是,对电磁环境的表征以支持制订合适的抗干扰度标准。必须研制开发适应较大物体(如商用飞机)的测试设备;为了模拟越来越不利的电磁环境,必须研制对更大场强(场强>200V/m)和更高能量传导干扰的抗干扰度测量设备;EMC测量的不确定度和可重复性必须改善,特别是在不同类型的测试设备之间;必须研究适用于现代数字电子系统的脉冲电磁辐射测量方法,具体地说,要求研究采用具有更宽的带宽的短脉冲(持续时间小于lns)测量方法。
  开展EMC测量首先要解决的是场强(功率密度)量值的准确和统一问题,建立从低频到微波频率的场强标准。在此基础上开展有关的测试。NIST利用开阔场、TEM小室、波导小室及微波暗室等建立了3OkHz~18GHz的场强标准,不确定度为0.5~1.0dB。划分两步扩展暗室的频率,第一步扩频到26GHz,然后再扩展到40GHz。PTB建立了10kHz~21GHz的场强标准.不确定度为0.5~LOdB.近年来.为适应新的电磁兼容标准的需要,各国加大了EMC研究的力度。欧洲共同体制订的新的EMC标准规定了辐射和抗扰测试两方面的要求。显然,这种新的欧洲共同体EMC标准将影响各国电子、电气设备和系统在欧洲及其他国家市场的竞争力。
  在解决EMC问题时,测量处于重要的地位。计量部门应提供可溯源到国家标准的测量。NIST着重开展5个方面的研究工作:①建立电磁场标准以支持EMC/EMI测量;②电磁能量传感器技术研究;③设备和系统的发射;④设备和系统的抗扰度;⑤静电放电辐射电磁场测量、电磁环境的评价等。
  计量院在EMC计量测试方面进行了大量研究,并与NISA、NPL(英国物理研究所)、PTB(德国物理技术研究所)等国外计量研究院保持长期协作。已建立三项场强国家基(标)准:4.8GHz场强基准,量程为(10~200)(W(cm2,测量不确定度为0.25dB(包含因子k=2);2.45GHz功率密度标准,量程为(0.05~0.8)mW(cm2,测量不确定度0.21dB(包含因子k=2);30~1000MHz高频场强基准,量程为(100~120)dB(m,测量不确定度为ldB(包含因子k=2)。1980年代研制成横电磁波传输小室(TEM小室),1990年代又研制成NIM-GTEM小室(因其可工作在lGHz以上频率,故称GTEM小室)。NIM-GTEM小室的外形尺寸为6m(长)×3m(宽)×25m(高),其均匀场区(((ldB)分布空间为0.5~lm(长)×0.5~lm(宽)×0.3~0.5m(高)。工作频段理论上可从直流到20GHz;目前已达3GHz以上频段。
  2000年计量院与北方交通大学联合成立了中北电磁兼容联合实验室,并作为一个独立的实体,通过了中国实验室国家认可委员会的认可,对外开展电工、电子产品电磁兼容检测和认证。目前开展电工、电子产品电磁兼容检测的类型包括:电子测量仪器、工业过程测量与控制设备、医疗电子设备、安全设备、金融电子设备、照明器具、电工产品、家用电器、信息技术设备等,此外还开展电波暗室、开阔场和各种横电磁波小室等电磁兼容基础环境设施的性能测试。

  5 材料特性的射频与微波测量
  在低频及微波频段对材料进行的大量测量,主要集中于介电特性,有关材料磁特性的测量只占少数。在低频和微波频段,通过相移和衰减,可以测量复数相对介电常数的介电常数和介质损耗两个分量。而在光频段,人们通常测量复数折射率。实际上,两者是等价的,即使在媒质导电并具有磁性的情况下,仍然可以通过麦克斯韦关系式将两者联系起来。
  介电测量最初纯粹是为了科学研究,例如弛豫现象的研究;1980年代以来,在通信、雷达、电路元件设计、准光学元件中变得日益重要。后两者包括绝缘体、支撑、束分配器、透镜、谐振腔、基板、介质波导、窗、天线罩、辐射吸收材料等。所有这些应用均要求极高的测量精度.在某些运用中,比如微波炉、高频电热疗器、工业介质高频加热器中,介电损耗是一个很重要的参量。而在环行器、隔离器、滤波器的设计中,材料磁特性则是关键参数。在低频和微波波段,人们可以采用单频及宽带两种方法。自从连续波激光源广泛应用之后,在光频段亦可采用这两种方法。在毫米波段,大多数测量是采用色散傅里叶变换波谱仪(DFTS)进行的。在广阔的电磁频谱(1MHz~1500GHz)上,对种类繁多的材料进行测量,有时还涉及宽温度范围和湿度范围。
  在由低频到微波的宽广频域内,使用腔体、开腔谐振器及传输线的单频测量方法。1980年代以来,开始出现扫频测量系统、时域谱仪(TDS)及DFTS等宽带测量系统,宽带技术已进入几十GHz频段.现在TDS可覆盖5个十倍频程,上限达20 GHz,而TFDS可从高频端向下延伸到60GHz。某些技术要求促使人们进行频率连续覆盖的测量。例如从前经常争论,是否在低于10OGHz的频段内材料的介电特性均由一种缓变弛豫所左右,因而只需用十倍频程量级的几个单频特性就可以足够精确地描述材料特性。现在知道,对于损耗介质、复合材料、有机生物材料及磁性材料,上述推断是不正确的。而这类材料在微波工程中占有很重要的地位。
  当今,计算机在计量仪器及系统中应用已十分普通,电介质测量亦不例外。然而在材料特性测量中,计算机的应用还促使我们以全新的机理来实现材料特性的绝对测量。例如,使用计算机计算非均匀介质(即存在两种或多种介质)中的电磁场,并在实时数据处理中直接使用数值计算的经果。实例之一是终端开路同轴线及介质谐振器,这类技术以计算机为主体,形成了一种全新的材料计量学方法。
  下面分别介绍各种材料特性的高频与微波测量方法。
  (1)二端口测量
  在兆赫频段的低端,经典的处理方法是在桥路测量中,或在与电感并联的谐振测量中,将介质材料作为具有损耗的电容器来处理。由于采用高精度的Q值测量,使该方法可以确定固体中极低的介电损耗(〈10μrad)。并进行理论修正和精确计算。对于损耗性材料,最好使用非谐振射频桥路法。二端口技术可以用于100MHz。
  (2)时域法
  随着快速取样示波器及隧道二级管阶跃脉冲发生器的应用,使行波时域谱仪(TDS)得到发展和广泛应用,使用频率达18GHz,随着频率的增高,其灵敏度随频率升高而下降。仪器方面的改进主要在于时基参考基准(即取样的同步及相位漂移和抖动)以及自动技术。现代ANA克分利用了时域同步技术。在低于1MHz的频段,采用CMOS开关,在10KHz频率上利用自动阶跃响应系统,使对正切损耗的分辨率达10μrad,远比高频段TDS的分辨率高。
  (3)频域传输线技术
  时域测量技术以分降低辨率为代价,在微波频段实现了宽带测量。但最精确的介电常数和损能测量仍然采用频域法,对低损耗的测量尤其如此。业已证实,在确定低损耗液体的损耗时,波导桥路或单通道结构可以获得与腔体法相比拟的不确定度(在100μrad时大约为10μrad)。并可在8~40GHz频段采用液体浸润技术测量固体介质样品。在波导结构中,反射测量法比传输测量法更为普遍。众所周知的Roberts-Von Hippel方法仍然是微波频段用得最广泛的材料测量技术。ANA和六端口技术更增加了它的应用潜力。而计算机的应用增加了它的使用方便性。此技术亦适用于宽温度范围的测量,例如在20~600℃条件下测量陶瓷样品。
  对于液体的导波反射测量,由于可随意调节样品厚度,因而减小了测量误差。采用曲线复合的导波技术,该方法可用于5~15GHz频段。采用反射一传输复合技术,可以克分利用样品散射系数与复介电常数两者的相互依赖关系,使测量达到最佳化。这样,可使用ANA和六端口装置,将样品放在传输与反射端口之间的传输线内进行测量。
  (4)在导波结构中运用场强的鼓值计算法
  通常的导波技术假定,在传播媒质中的任意点,仅存在一个行波主模及其反射波。为使这一假定成立,结构上存在一系列限制。目前在材料测量中已普遍使用计算机对波的传输进行数值分析,生物材料的介电特性测量就是一个极好的例证,生物材料的复介电常数范围
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(4)在导波结构中运用场强的鼓值计算法
通常的导波技术假定,在传播媒质中的任意点,仅存在一个行波主模及其反射波。为使这一假定成立,结构上存在一系列限制。目前在材料测量中已普遍使用计算机对波的传输进行数值分析,生物材料的介电特性测量就是一个极好的例证,生物材料的复介电常数范围很宽,大多是损耗牲的,适合于使用反射计技术进行测量。自1980年以来,同轴开路探头已广泛用于无损生物材料测量。其优点在于不必将测试样品装入测试座中,从而有可能进行真正的活体测试。
(5)微波闭腔法
尽管近来年传输技术有了很大发展,但谐振腔法由于具有更高灵敏度而仍然十分流行。即使只使用微量样品亦能保持其灵敏度。对于介电常数为2,损耗为lOOμrad的样品,95%置信度时的测量不确定度3%。
常用两种不同的谐振法,其中微扰法适用于一切介电常数的测量,包括各向异性材料,磁性材料以及中高损耗性材料。另一种谐振法是针对低损耗介质测量的,此时必须使用较大量样品填满一定数量的腔体空间,并应采用尽可能简单的几何结构,以避免在场的计算上遇到数学困难。
毫无疑问,最流行的微扰结构为TM010腔体,将棒状固态样品或管装液体,沿轴线插入腔体,通过谐振频率及Q值的变化推算出材料特性。这类技术亦适合于高温测量,曾报导过在35GHz用于高达1600℃的介质测量的微扰法。
事实上,精确的理论多用于极低损耗材料(低于300μrad)的微波腔体测量。TE010模圆柱腔体理论在8~40GHz频段已被证明是非常成功的。在10和35GHz使用高Q(~50000)腔体及锁相信号源,可获得高达lμrad的灵敏度。
(6)开式谐振腔法
开式谐振腔是Fabry-Perot谐振器的准光学微波模拟。80年代以来,已发展成为专用于30~200GHz的毫米波均匀低损耗材料的测量设备。但亦可用于更低的频率,如果允许使用大尺寸样品,则其低频灵敏度可与闭腔相比,而且使用更为方便。最灵敏的开式谐振腔是双凹型或平凹型,工作于TEM谐振模式,其电磁场具有驻波高斯波束的形式。可实现的Q值非常高,在35GHz的典型值为150000。因而允许人们以极高精度测量低损耗。在100μrad时,灵敏度可达μrad。
(7)微波自由空间法
自由空间法采用通过介质样品的电磁辐射波束。与导波测量相比,样品的插入较为容易,只要样品具有平坦、平行的表面,其截面形状并不重要,但需要使用相对来说较大口径的样品。该方法既适用于高损耗材料(如微波吸收材料),亦适合于天线罩之类在空间使用的损耗较低的材料测量。当频率升高,准光学传播倾向增强时,使用将更加方便。报导过一个主要装在波导里的系统,可以同时给出复数相对介电常数和导磁率。系统工作在56和94GHz,采用超外差接收来确定置于发射与接收喇叭天线之间中点位置的样品的散系数(传输及反射)。在94GHz对耐热有机玻璃,纤维玻璃和聚四氟乙烯的测量表明,介电常数与导磁率的实部的随机不确定度为5%左右,损耗角正切的不确定度为10%左右。
此外尚有Stochastic搅模非调谐腔法、微带及其他导波结构方法。在毫米波频段,可采用自由空间光学方法进行材料特性的测量。
上述众多的测量方法通过对足够大量数据取平均值的方法,总是可以将偶然误差减至最小。但无法确定系统误差,后者只能通过对广泛的、按不同原理工作的测量进行比对来减小。因此,测量的相互比对,特别是原理不同的测量的相互比对,是改进测量质量的极有价值的方法。
NIST的科学家们一直呼吁要重视l~lOOOGHz频段的材料特性的测试。他们多次指出,材料特性的绝大多数现有数据,都是基于多年以前在频率10GHz以下频段的传统材料的测量所给出的。10GHz以上频频的数据很少,而新型材料实际上没有数据。他们指出,材料特性测量和数据的内容,除包括电容率(介电常数)、导磁串以外,还应包括均匀性(确定整个材料各处特性的均匀性或一致性)和非均匀性(确定作为角向函数的材料特性的均匀性程度)。此外还指出,材料特性的测量必须考虑温度和湿度的影响,以模拟实际使用条件;为了支持设计和制造工艺,它们必须作为温度和湿度的合成函数进行测量;为支持宽带应用还必须作为频率的函数进行测量。

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