改进的基于Matlab GUI的微波介电常数测量系统

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京理工大学信息与电子学院 作者:刘德文

  依据传输线测量方法,结合Matlab GUI 编程技术,实现了一套介质介电常数测量系统,测量了不同介质在L 频段到X 频段内的介电常数值。该系统直接使用高频信号源作激励,频谱仪作为接收机,简化了测试系统,降低误差。编写Matlab GUI 人机交互界面求解超越方程,批量计算提高了计算精度和效率。测试结果和介质标称值很接近,对两种材料应用的研究提供了有力的支持。

  近年来,随着雷达、遥控遥测、微波通信等微波技术的迅猛发展,对微波器件的系统性能提出了更高的要求,进而对它们所用的微波介质材

  料提出了更高的要求。微波介质材料的电特性的测量,对于研究材料的微波特性、研制微波器件、促进现代尖端技术发展等都有重要意义。

  微波介质参数的测量方法,有传输法(如波导、同轴传输线法等)、谐振腔法和自由空间法等。传输线法以其简单易行,不需要特殊的仪表设备等特点常成为测试系统被选取的方法。测量线是一种传统微波测量仪器,可以测量开槽波导内电压驻波比,从而确定反射系数和阻抗数值。测量线简单可靠、价格便宜、测量原理清晰,在微波频段采用测量线测量介电常数仍是一种主要途径。

1、原理

  介电常数r的测量属于间接测量,它以某种函数关系式包含在可观察的测量量内,因此,传输线法测量r是建立在传输线理论、特性阻抗和传输常数的基础上的,通过函数关系计算出介电常数。终端短路法是传输线法的一种,实质是网络参量法,即通过介质样品对网络参量的反应来测定r。

  利用波导测量线进行两点法测量时,当波导管内放入长为l的介质样品时等效为双口网络,如图1所示。

终端短路法测定介电常数原理图

图1 终端短路法测定介电常数原理图

  通过2094 组数据的测试和计算, 得到0.96GHz~12.40GHz 内五组介电常数数据。数据结果如表,测试计算结果有很强的一致性,为相应频率内研究使用两种介质提供了支持。

  在测量线系统中,系统误差包括测量线误差、介质样块装配误差、手动测量操作误差、读数误差。介质样块度装配采用紧配合压入波导内,保证介质样块和短路板紧密贴合。测量值中的偶然误差,采用多次测量求平均值和使用交叉读数法减小读数误差。利用扳手作轮轴,通过调节千斤顶高度微调滑轨移动距离,极大地降低了手动操作引起的误差。

4、结论

  根据传输法测量介电常数理论,使用改进的测试系统测量计算介电常数需要的数据。并用Matlab GUI 编写人机交互界面,利用测试数据计算了两种介质在0.96GHz 到12.40GHz 内不同频点的介电常数值。计算结果在同一频点下与计算平均值误差小于1%,并且结算结果与介质标称值很接近,对两种材料应用的研究提供了有力的支持。

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