粉末材料电磁参数的改进技术外文翻译资料

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粉末材料电磁参数的改进技术

摘要：本文介绍了测量技术，这项技术能够查明粉末材料的相对介电常数和磁导率。测量方法被实现以同轴传输线的方式，这能确保实现宽带频率特性。计算利用了被两种介质墙支持的粉末样本材料的两种端口形式的扫描矩阵参数。这提出了测量程序是以铁氧体粉末为例的石榴石铁氧体钇铁石榴石类的相对介电常数与磁导率被确定在频率200MHz与1200MHz之间。

关键词：微波测量、介电常数与磁导率、测量、散射参数、吸收材料、磁性材料、铁氧体测量粉。

1介绍

随着越来越多的无线电设备进入私人和商业市场，这儿还有必要开发和和引入有用的材料和技术来减少不必要的辐射。Epsilon;MC的重要性不亚于保护人类免受有害辐射这个观点。这儿有两种方法来让材料屏蔽辐射：一种是依靠反射另一种是吸收入射电磁波的能量。这种理想的吸收器应该具有低反射率和高吸收入射电磁能量的价值。电磁场入射边界表面的任何材料都是被反射的并且反射能量的水平是材料内部参数的一个函数。总的来说，均质或者复合材料的屏蔽功能是一种它们减弱电磁能量能力的量度。这种能力取决于其反射和吸收性质。没有被材料反射或吸收的能量被从一边到传播到另一边。对于一个给定的材料,传输能量的数量有复杂的入射角的依赖和入射电磁波的极化。

目前有许多方法来获得反射功率的最小值,然而最经常的应用技术是用有锥体层结构的石墨材料覆盖屏蔽墙。不幸的是，这种结构得以更高的微波频率运行。

在频率低于10 MHz时这种采用锥体层结构的技术不能保证减小反射的能量的水平，因为波长是比角锥状物尺寸大。另一种以获得低反射率的方法是使用具有适当电磁特性的材料。具有这种性质的材料是铁氧体。如今，暗室壁由两层结构的宽带吸收剂覆盖。第一层是装载有石墨的聚氨酯泡沫锥体层结构，而第二层是烧结铁氧体。市面上售卖的单片铁氧体材料保证良好的吸收性能和反射场的低水平。然而，吸收剂的固体形式，不能在许多实际情况下使用。对于吸收有是满足下列要求的需要：

-在理想的频率或在宽频带工作，

-有一个坚实的或灵活的形式，

-具有反射和吸收的理想水平。

新材料可用于特定的应用，例如隐身。而在这种情况下，复合材料是比较合适的。

它可以模拟任何满足上述要求性能的吸波剂。然而在此之前，它构成材料的参数应该是已知的。各向同性物质的电磁特性可以用显微镜通过标量材料特性中的相对复介电常数（ε）和导磁率（mu;）来描述：

ε= εrsquo;—j εrsquo;rsquo; （1）

mu;=mu;rsquo;—jmu;rsquo;rsquo; （2）

其中是ε＇， ε＇电和磁常数，ε＂， mu;＂是电磁损耗的因素。

应当指出的是，吸收剂能够满足低反射率和良好的吸收的要求还有就是需要鉴定所有这四个值（1）和（2）。 这可以用反射系数的例子来简要说明在之间的平面边界的TEM波入射的（rho;）的自由空间和均质材料，它是由波定义阻抗Z₀和Z_m为：

rho;=（Z_m-Z₀）/(Z_m Z₀) (3)

其中Z0为自由空间波阻抗和Z _m是材料的波阻抗。

考虑到该波阻抗可以使用相对介电常数和磁导率在自由空间里来表达并且在TEM模式下的反射系数的参数的函数被给出：

rho;=（ Z_m-Z₀）/(Z_m Z₀) (4)

从表达式（4）很容易地看到当一个给定的材料具有同样的磁性属性时反射的值系数可以降低。此外，磁导率的值应兼容于介电常数值。

这儿有许多可用于确定材料介电常数ε和磁导率mu;的方法。谐振腔技术提供的测量方法精度高，但它们主要被用于同一个频率。另一方面，波导的方法或同轴线的方法使得测量在很宽的频带具有可行性，但也具有一些缺点和更高不确定性。尽管如此，在波导或同轴线测量方法主要是基于样品的散射参数（S _IK）的测量。在这些情况下，材料样品在一个宽的频带中的波导或同轴线的测量，应该最好是固体和样品的配置应匹配波导或同轴线的内部几何形状。另外，外部被测样品的尺寸在测量过程中不应该改变。

对于非固体材料这有特殊的方法来确定材料的固有特性。液体和生物组织的介电特性在一个宽的频率范围内已经有了很长一段时间的研究。对于这样的材料的测量是通过使用各种各样样本的大小和形状等多种方法被进行的。生物组织的测量相对容易进行，因为其非磁性性质。尽管如此，这样的测量必须对相对小的样本的大小可以进行特别设计，经常有样本在活体内被执行。

在粉状物料的情况下，测量主要用于如小麦，面粉，煤等非磁性材料物质。这相当大的力是给介质混合物来发现任何可以帮助预测不同密度功能混合物（空气-粉碎的样品）的电参数 ，与固体材料所获得的数据并且反之亦然

在本文介绍的工作中，额外的挑战来自确定两个粉状物料的电场和磁场参数的事实。这是需要在加入他们之前混合，例如，环氧树脂接合器。当制备由不同成分的粉末组成的混合物时，也能够给出关于个别组分的有用信息。

2. 矢量网络分析仪测量

这儿有许多在同轴线测量ε和mu;的值的方法。假如测材料是固体或非固体物质的话，每种方法的有效性取决于材料的电阻和几何参数。 ε和mu;测量的进行方法，使用待测样品的散射参数。所选择的方法采用同轴法来测试，名字是样品，其中被插入的传输同轴线如图1。在该方法中，样品被处理为一个均匀介质。

之前决定用于确定固体材料的介电常数和磁导率的具体方法，它指出他们的优点和缺点是很重要的。这个问题将在图1呈现的固体环形标本中进行讨论。

基于S₁₁和S₂₁的最流行技术的组合等式是由Nicholson和Ross和Weir开发。它们对介电常数和磁导率最终公式给出如下：

mu;=j（1 rho;）/（1-rho;）lambda;/(2pi;L_m) ln（1/T） （5）

ε=-1/mu;[lambda;/(2pi;L_m) ln（1/T）]² （6）

其中：

T=（S₁₁ S₂₁-rho;）/[1-rho;（S₁₁ S₂₁）] （7）

rho;-有表达式（4）算出。

Lm-样品的长度。

它必须注意的是，当测量是在宽的频带时，测量的不确定性取决于lambda;/ lambda;m，其中 lambda;m是在试样中的波长。这是因为方程的多值解。在这些方程中复数的对数有根的无限数量，这将导致找到合适的溶液困难。当介电常数和磁导率的值是足够小或者当试样的长度是小于在样品中波长的一半比起能够使用明确的表达式（5）和（6）确定ε，mu;的值。当试样的长度大于在试样中的波长二分之一时问题出现了。在这种情况下，是用公式（5）和（6）中的对数的复数值，根据表达式：

ln（1/T）= ln（｜1/T｜） j（psi; 2npi;）。 n=0，plusmn;1，plusmn;2．．．． （8）

来自表达式（5）和（6中的介电常数与磁导率是依靠在式（8）中n的值来计算出的。为了选出式（8）中正确的n值，测试组的对照组延迟了计算组，延迟作为一项很有用的工具被暗示。Ghodgaonkar建议使用两种不同长度的样品来选择独特的答案。

为了测定样品长度的上限，当n的值可以取为零时，样品长度与半波长之间的关系（k）是值得分析的。

k=L_m/(0.5lambda;_m) (9)

其中

Lm-测试中样品的长度。

lambda;_m-lambda;/radic;（εmu;） （10）

当klt;1的时候，n=0这个解决方案能够被使用。然而，当样品的介电常数和磁导率或长度的值更高时那么系数k值大于1。考虑到对于良好吸收剂材料的介电常数和磁导率应具有较高值，那么测量方法应该是更精确和同义。让我们看看另一种可能来计算介电常数和磁导率的值方法，通过测量样品的散射参数（S IK）并将样品插入到同轴波导中。该方法是以在解决方程组（11）和（12）为基础使用迭代法。方程（11）和（12）实际上是在试验片的板坯多次反射组成无限几何级数的总和。

S11=rho;（1-e^-2gamma;L）/（1-rho;²e^-2gamma;L） （11）

S21=（1-rho;²）e^-gamma;L/（1-rho;²e^-2gamma;L） （12）

其中，在基本模式TEM同轴传输线：

rho;-反射系数

gamma;-传播常数

公式（11）和（12）是试样的未知参数ε和Mu;的函数。这些参数的实部和虚部（ε＇，ε＂，mu;＇，mu;＂）可以通过解决上述复杂的方程式（11）和（12）来获得。给人的第一印象是，迭代过程对任意长度的样品能产生一个非常稳定的结果。但是，当计算介电常数或磁导率的值高时，这种复杂公式的解决方案有障碍。对这一系列的方程可能存在多种解决方案。这是因为，这样复杂的函数有局部最小值，因此迭代解决方案将取决于起始值。尽管如此，样品的长度达2K（其中，k表示为（9））的溶液是稳定的。因此，求解一组方程（11）和（12）的迭代法保证测量具有更宽可能性 - 介电常数和磁导率的值可以在不考虑多值溶液的情况下扩大两倍。

用于确定ε和mu;值的技术是基于对传播常数（gamma;M）和特性阻抗（ZM），这两个参数可通过测量散射参数（S IK）的手段来表征表达式。对插入一个同轴线的样品的散射参数使用矢量网络分析仪（VNA）进行测量。

然而，一个特殊的额外的配件对校准过程是必要的。对于校准有效辅助工具在[14,18]中有描述。根据测量的频率范围，这些校准工具包括三个不同长度的圆弧。特殊校准过程保证了测量精度的最高，因为系统误差可以在校准阶段被淘汰。这种测量技术也被称为反射/透射法，因为系数S_ik的值是被测量的最终参数。因此，散射参数的4个复数值是可以实现的，然而对于ε和mu;的计算值使用以上方法实现2个复数值对于各向同性材料是必须的。在这种情况下，由于相互作用和对称性，S ₁₁ = S ₂₂和S ₂₁ = S ₁₂。这些属性可以被用来确定在该同轴线路的样品的位置，而不测量距离L 1和L2（参照图1）。应当注意的是，通过VNA测量S_ik指整个同轴线例如的S值是被位于同轴线路的开始和端部的参考平面定义的。考虑到对称和倒数属性这儿有可能将参照平面转换为样品的的开始和端部确定的参考平面，另外也有可能从计算过程中消除L 1和L2的值。这种方法可以显著减少测量的误差因为S_ik电测量值的不确定性在确定的L 1和L2的值时比机械不确定性低得多。一个可能的方法是使用以下样品散射系数的计算结果：

｜S₁₁｜=1/R₀radic;(S_11CLS_22CL) psi;₁₁=1/2（psi;_11CL psi;_22CL）-psi;₀ （13）

｜S₂₁｜=1/R₀S_21CL psi;₂₁=psi;_21CL-psi;₀ (14）

其中

S_11CL，S_21CL-对于在参考平面在同轴线路的开始和端部的测量值。

R₀ ²=R₁²R₂² R₁=e^-gamma;L1 R2=e^{-gamma;L2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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