[发明专利]基于开口矩形波导的介质复介电常数无损反射测量方法

说明书

本发明属于微波无损测量领域，提供一种基于开口矩形波导的介质复介电常数无损反射测量方法；本发明采用将待测介质板远离辐射口径面的方式，减弱待测介质板复介电常数以及尺寸的变化对波导辐射口径面不连续处的高次模反射场分布的影响，在特定距离范围内可认定高次模反射场分布近似不变，进而通过对已知介电常数介质板反射系数的测量，实现对单模分析方法误差的校准，本发明仅仅考虑波导辐射口径面主模传输就能够得到准确的结果，计算过程更加简单，大大减少运算量；且由于开口矩形波导无需紧贴待测介质，也可实现介质复介电常数的非接触测量，有着更加广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于微波无损测量领域，涉及介质复介电常数无损测量，具体为一种基于开口矩形波导的介质复介电常数无损反射测量方法。

背景技术

开口波导天线作为一种基础的辐射单元，常被当作微波接收探头应用于近场测量，由于其在近场测量应用中优秀的性能，其也被广泛应用于微波无损测量领域，例如材料介电特性测量、介质板厚度测量、金属表面裂纹探测以及陶瓷和聚合物孔隙度评估；由于其简单的物理结构，因此可以应用麦克斯韦方程组对其内部电磁场分布进行直接求解。现有技术通常将待测介质板紧贴开口波导辐射口径面，介质背面为自由空间或金属板，如图1(a)、图1(b)所示，开口波导的法兰通常被假设为无限大，较为简便的方法是假设波导内只有主模传输，然后计算波导内主模的反射系数，但由于辐射口径面处的不连续性会产生高次模，单模分析方法存在误差；为了得到更加准确的结果，需要考虑高次模的影响，辐射口径面处的场由主模以及高次模组成，因此该方法不仅要计算主模的反射系数也需要计算主模入射场对高次模反射场的耦合系数，考虑的高次模数越多计算结果越精确，但随之也会增加计算量。待测介质板紧贴法兰，待测介质板复介电常数以及尺寸的变化对波导辐射口径面不连续处的高次模反射场分布影响很大，只有通过多模分析的方法去计算主模反射系数才能得到准确的结果。

发明内容

本发明的目的在于提供基于开口矩形波导的介质复介电常数无损反射测量方法，采用将待测介质板远离辐射口径面的方式，减弱待测介质板复介电常数以及尺寸的变化对波导辐射口径面不连续处的高次模反射场分布的影响，在特定距离范围内可认定高次模反射场分布近似不变，因此可通过对已知介电常数介质板反射系数的测量，实现对单模分析方法误差的校准，本发明仅仅考虑波导辐射口径面主模传输就能够得到准确的结果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于开口矩形波导的介质复介电常数无损反射测量方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建测量平台，将开口矩形波导与矢量网络分析仪的测试端口相连，并对开口矩形波导的辐射口径面进行校准、使其成为测试参考面，其中，开口矩形波导的窄边宽度为2b、宽边长度为2a；

步骤2：选取介电常数为ε′_r、厚度为d′₂的标准测试件作为校准件，将校准件放置在距离测试参考面d₁距离的位置，并对开口矩形波导辐射口径面主模反射系数进行测量，记为Γ′；进而计算得校准系数T：

其中：

ω＝2πf为电磁波的角频率、μ₀和ε₀分别为自由空间的磁导率和介电常数，k_x、k_y为二维空间平面x、y所对应的平面波谱域分量。