[发明专利]基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置及方法

权利要求书

1.一种基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置，其特征在于：包括导轨(1)、固定支架(2)、包含GPIB端口和测试端口的矢量网络分析仪(3)、同轴电缆(4)、导波传输结构(5)以及计算机(6)；所述固定支架(2)固定在导轨(1)上；所述同轴电缆(4)的一端通过导波-同轴转换装置(7)与固定在固定支架(2)上的导波传输结构(5)的一个开口面连接，该同轴电缆(4)的另一端与矢量网络分析仪(3)的测试端口连接；所述计算机(6)与矢量网络分析仪(3)的GPIB端口连接；

所述导轨(1)上设置有可沿导轨(1)滑动的活动支架(8)，该活动支架(8)上固定有滑动短路器(9)，所述滑动短路器(9)包括一端封闭一端开口的导波传输线(91)、在导波传输线(91)内滑动的反射块(92)和能够读取反射块(92)位置对应刻度的千分尺(93)，导波传输线(91)的开口面与导波传输结构(5)的另一个开口面相连，当反射块(92)位于导波传输线(91)的不同位置时，实现对穿过放置在导波传输结构(5)腔体内的待测材料在不同状态下电磁能量的反射。

2.根据权利要求1所述的基于单端口多状态的材料电磁参数测试装置，其特征在于：所述导波传输结构(5)，采用波导或同轴的结构形式，且该导波传输结构(5)与滑动短路器(9)的导波传输线(91)的结构相同。

3.一种基于单端口多状态的材料电磁参数测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对材料电磁参数测试装置进行初始化：

将材料电磁参数测试装置中的同轴电缆、导波-同轴转换装置以及导波传输结构等效为二端口误差网络，将材料电磁参数测试装置中的同轴电缆、导波-同轴转换装置、导波传输结构以及导波传输结构中放入的待测材料等效为二端口测试网络，将待测材料等效为二端口样品网络，每个二端口网络两端反射系数满足具有保圆性的分式线性变换表达式：

其中k、m和n为分式线性变换系数，Г和Г_L分别为二端口网络输入端和输出端的反射系数；

(2)计算机对端接滑动短路器的误差网络的反射系数进行自检：

(2a)当导波传输结构中未放入待测材料，且滑动短路器中的反射块位于导波传输线的M个不同位置时，计算机获取滑动短路器具有相同幅度不同相位的M个反射系数的实际值，以及误差网络幅度和相位均不同的M个反射系数的实际值，M≥3；

(2b)计算机运用排列组合的方法，通过从误差网络的M个反射系数中每次选取三个不同的反射系数的实际值组成误差网络反射系数圆，共选取次，得到个误差网络反射系数圆，并计算每个误差网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差；

(2c)计算机判断每个误差网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差是否均大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(2a)，否则，执行步骤(2d)；

(2d)计算机通过每次从误差网络的M个反射系数中任意选取的三个不同的反射系数的实际值，计算剩下的M-3个反射系数的理论值，共选取次，并判断每次计算的M-3个反射系数的理论值与实际值的差的绝对值是否大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(2a)，否则，保存M个误差网络的反射系数的实际值和M个滑动短路器的反射系数的实际值；

(3)计算机对端接测试网络的反射系数的实际值进行自检：

(3a)当导波传输结构中放入待测材料，且滑动短路器中的反射块位于导波传输线的N个不同位置时，计算机获取滑动短路器具有相同幅度不同相位的N个反射系数的实际值，以及测试网络幅度和相位均不同的N个反射系数的实际值，N≥3；

(3b)计算机运用排列组合的方法，通过从测试网络的N个反射系数中每次选取三个不同的反射系数的实际值组成测试网络反射系数圆，共选取次，得到个测试网络反射系数圆，并计算每个测试网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差；

(3c)计算机判断每个测试网络反射系数圆圆心位置的方差和半径的方差是否均大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(3a)，否则，执行步骤(3d)；

(3d)计算机通过每次从测试网络的N个反射系数中任意选取的三个不同的反射系数的实际值，计算剩下的N-3个反射系数的理论值，共选取次，并判断每次计算的N-3个反射系数的理论值与实际值的差的绝对值是否大于预先设定的误差阈值，若是，执行步骤(3a)，否则，保存N个测试网络的反射系数的实际值和N个滑动短路器的反射系数的实际值；

(4)计算机计算待测材料的反射系数的实际值：

(4a)计算机每次选取任意三个不同误差网络的反射系数的实际值以及对应的三个放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值，共选取次，计算出组误差网络分式线性变换系数a、b和c的值，并分别对个a、b和c的值求平均，得到平均误差网络分式线性变换系数和的值并存储；

(4b)计算机通过平均误差网络分式线性变换系数和的值和N个测试网络的反射系数的实际值，计算待测材料的N个反射系数的实际值并存储；

(5)计算机计算待测材料的电磁参数：

(5a)计算机每次选取任意三个不同待测材料的反射系数的实际值以及对应的三个放入待测材料后滑动短路器的反射系数的实际值，共选取次，计算出组样品网络分式线性变换系数A、B和C的值，并分别对个A、B和C的值求平均，得到平均样品网络分式线性变换系数和的值并存储；

(5b)计算机通过平均样品网络分式线性变换系数和的值计算待测材料的[S]参数，并通过待测材料的[S]参数计算待测材料的电磁参数，即待测材料的复磁导率μ_r和待测材料的复介电常数ε_r，其中，[S]参数中待测材料的源端反射系数S₁₁、待测材料的终端反射系数S₂₂、待测材料终端向源端的传输系数S₁₂、源端向终端的传输系数S₂₁表达式为：