專利名稱：一種微波吸收材料反射率的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波吸收材料和電磁屏蔽材料研究領(lǐng)域，公開了一種微波吸收材料反射率測量的簡單方法。
背景技術(shù)：
雷達吸波材料(Radar Absorbing Material，RAM)可以有效地衰減電磁波能量、消除或減弱電磁干擾和減小各種目標的雷達散射截面，而在隱身技術(shù)中具有重要的地位。在研究和應(yīng)用吸波材料的過程中，需要了解吸波材料的吸波性能，表征吸波材料應(yīng)用特性的參數(shù)是材料對電磁波的反射率，準確、方便地測量吸波材料的反射率就顯得格外重要。國外平板RAM反射率的測量，最初是為了測量用于微波無反射暗室的吸波材料，后來用于測量減縮目標雷達截面的RAM。
RAM反射率測量基本原理[5，6]在給定波長和極化的條件下，電磁波從同一方向，以同一功率密度入射到雷達吸波材料平面和良導(dǎo)體平面，雷達吸波材料平面與同尺寸良導(dǎo)體平面二者鏡面方向反射功率之比為雷達吸波材料的反射率。
Γ(f)＝Pa(f)/Pm(f)(1)式中f-電磁波的頻率；Γ(f)-RAM的反射率；Pa(f)-RAM樣板的反射功率；Pm(f)-良導(dǎo)體平面的反射功率。
在實際測量中，通常并不是測量絕對反射率功率，而是分別測量良導(dǎo)體平面和RAM樣板的反射功率與同一參考信號之比Γm(f)＝Pm(f)/Pi(f) (2)Γa(f)＝Pa(f)/Pi(f) (3)式中Pi(f)-參考信號功率，Γa(f)為RAM樣板對參考信號的反射率，Γm(f)為良導(dǎo)體平面對參考信號的反射率，那么雷達吸波材料的反射率則可以表達為
Γ(f)＝Pa(f)/Pm(f)＝(Pa(f)/Pi(f))/(Pm(f)/Pi(f))＝Γa(f)/Γm(f)(4)以分貝表示則ΓdB(f)＝10×1g(Γa(f))-10×1g(Γm(f)) (5)目前常用的測量RAM反射率的方法有弓形法、遠場RCS法、樣板空間平移法和單喇叭天線測試法等[1～4]。
文獻[6]介紹了利用HP8510B網(wǎng)絡(luò)分析儀配備收、發(fā)天線系統(tǒng)，目標支架系統(tǒng)，目標姿態(tài)光學(xué)對準系統(tǒng)和控制計算機的雷達吸波材料反射率遠場RCS法測量系統(tǒng)工作原理。
測量時，合成掃頻源的信號送入微波功率放大器，它的輸出信號經(jīng)-20dB定向耦合器，一路經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，另一路送入反射傳輸源，作為參考信號。由目標反射的信號經(jīng)接收天線送入反射傳輸源的另一端口，作為測試信號。兩路射頻信號經(jīng)反射傳輸源混頻后，變?yōu)?0MHz中頻參考信號a1(f)和中頻測試信號b2(f)，該兩信號送入HP8510B主機處理得到傳輸參數(shù)S21(f)。
S21(f)=b2(f)a1(f)]]>S21(f)就是目標的響應(yīng)。雷達吸波材料反射率的測量是先測金屬平板的響應(yīng)S21m(f)，再測量吸波材料面的響應(yīng)S21a(f)，則反射率為Γam(f)＝|S21a(f)|2/|S21m(f)|2用分貝表示10×1gΓam(f)＝20×1g|S21a(f)|-20×1g|S21m(f)|文獻[2、5]介紹的弓形法、文獻[1、5]介紹的空間樣板移動法和文獻[4]介紹的單喇叭天線法測量吸波材料的反射率的方法本質(zhì)上也是通過測量S21(f)來計算得到吸波材料的反射率。
上述幾種方法中，測量樣品的尺寸比較大(樣品至少是180mm×180mm×d，d是厚度)；用上述方法測量時，對測試環(huán)境要求比較高，通常需要微波暗室，鋪設(shè)吸波材料；需要較昂貴的測試附件，如喇叭天線等；而且用上述方法測量時，要將吸波材料制備成大面積平板，在制作大面積平板吸波材料時在厚度上很難達到均勻一致，測量面也很難保證它的平整度，而這些都會導(dǎo)致測量結(jié)果與理論值之間存在較大的誤差，以上條件限制了很多科研人員對吸波材料反射率的準確測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不需要微波暗室等實驗條件，在普通實驗室條件下，即可以實現(xiàn)不受外界電磁波的干擾、而且操作簡單、準確地測量吸波材料反射率的測量方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達到一種微波吸收材料反射率的測量方法，其特征是包括以下步驟a、選取一臺可以直接或間接測量微波器件S參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析儀及與之相匹配的測試電纜和轉(zhuǎn)換接頭、同軸空氣線與金屬短路器后備用；b、將微波吸收材料制作成其端面和軸線垂直且尺寸與同軸空氣線相匹配的同心環(huán)狀樣品；c、將上述測試電纜、轉(zhuǎn)換接頭與網(wǎng)絡(luò)分析儀進行裝配，確定儀器測量參數(shù)并對它們?nèi)邩?gòu)成的測試系統(tǒng)進行測量校準；d、將校準后的測試系統(tǒng)與同軸空氣線和金屬短路器裝配，測量未包含樣品的同軸空氣線和金屬短路器構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11m(f)或反射系數(shù)S11m(f)的對數(shù)值20×1g|S11m(f)|；e、將校準后的測試系統(tǒng)、步驟b中制得的同心環(huán)狀樣品、同軸空氣線和金屬短路器裝配，測量同心環(huán)狀樣品、同軸空氣線和金屬短路器構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11a(f)或反射系數(shù)S11a(f)的對數(shù)值20×1g|S11a(f)|；f、將反射系數(shù)S11m(f)與反射系數(shù)S11a(f)代入公式Γ(f)＝|S11a(f)|2/|S11m(f)|2計算后得到微波吸收材料反射率的線性值Γ(f)，將該線性值代入公式ΓdB(f)＝10×1g(Γ(f))計算后得到該微波吸收材料反射率的分貝值ΓdB(f)；或者將反射系數(shù)S11m(f)的對數(shù)值20×1g|S11m(f)|與反射系數(shù)S11a(f)的對數(shù)值20×1g|S11a(f)|代入公式ΓdB(f)＝20×1g|S11a(f)|-20×1g|S11m(f)|，計算后得到該微波吸收材料反射率的分貝值ΓdB(f)。
其中，所述的網(wǎng)絡(luò)分析儀為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或標量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
所述的待測樣品為同心環(huán)狀樣品。
采用同軸空氣線作為微波吸收材料反射率測量的夾具。
所述步驟c中的儀器測量參數(shù)為起始頻率、終止頻率、測量點數(shù)、中頻帶寬、輸出功率與平均因子。
所述的同軸空氣線的尺寸為外徑14.288mm、內(nèi)徑6.204mm；外徑7.00mm、內(nèi)徑3.040mm；外徑3.500mm、內(nèi)徑1.520mm；外徑2.921mm、內(nèi)徑1.268mm；外徑2.400mm、內(nèi)徑1.042mm中的一種。
所述的同軸空氣線的接頭是APC-14型、N型、APC-7型、SMA型、APC3.5型或K型中的一種。
該方法的頻率測量范圍由同軸空氣線只傳輸橫電磁波時的使用頻率范圍和網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出頻率范圍共同決定。
金屬短路器由高導(dǎo)電率金屬制成，其表面可以鍍銀或鍍金。
高導(dǎo)電率金屬為銅、金、銀、鋁、鋅中的一種或其合金。
測量時，網(wǎng)絡(luò)分析儀選用可以直接/間接測量S參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析儀，如HP8510B、HP8510C、HP8712ET、HP8712ES、HP8714ET、HP8714ES、HP8722D、HP8722ES、HP8722ET、HP8719ET、HP8719ES、HP8719D、HP8720ET、HP8720ES、HP8720D、HP8753D、HP8753E、HP8753ET、HP8753ES、HP8757D或Wiltron360B等網(wǎng)絡(luò)分析儀。
由背景技術(shù)通過測量S21(f)參數(shù)來計算得到吸波材料的反射率的教導(dǎo)，本發(fā)明通過測量S11(f)參數(shù)即可計算得到吸波材料的反射率。
由微波理論[7]可以知道，同軸線是由兩根同軸的圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)，可以傳播橫電磁波(TEM波)，屬于平面電磁波。TEM波在同軸線中傳播時，其電磁波傳播的方向是垂直于同軸線的截面的，因此可以認為電磁波是垂直入射到同軸空氣線中的樣品端面的。以上兩點完全滿足文獻[5]在測量吸波材料反射率時所提的要求第一要滿足電磁波垂直入射到吸波材料表面；第二入射電磁波是平面波。由于文獻中采用天線測量吸波材料的反射率，因此測量天線離吸波材料必需具有一定的距離才能滿足遠場條件即入射波為平面電磁波，而采用上述的同軸空氣線則很容易滿足這兩個條件。
例如由于APC-7mm同軸空氣線可以傳播0～18GHz范圍內(nèi)的TEM波，HP8722ET網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率范圍為0.05～40GHz，所以采用APC-7mm同軸空氣線、HP8722ET網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試電纜以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換接頭組成的測量系統(tǒng)就可以測量0.05～18GHz范圍內(nèi)的吸波材料的反射率。此外由于APC-7mm同軸線是由金屬材料制備，在實驗室條件下就可以不受外界電磁波的干擾進行吸波材料反射率的測量，而不用建立微波暗室。
利用上述的網(wǎng)絡(luò)分析儀和同軸空氣線就能夠測量出含有樣品段傳輸線的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)S11＝b1/a1，b1為同軸空氣線中從樣品的微波信號入射面反射回去的信號，a1是網(wǎng)絡(luò)分析儀的入射信號。S11就是以金屬板為基底的吸波材料，對入射電磁波的目標響應(yīng)。根據(jù)微波吸收材料反射率的測量原理，本發(fā)明提出的微波吸收材料反射率的測量方法是先測量同軸夾具中沒有樣品時的金屬短路器的響應(yīng)S11m(f)，再測量裝入吸波材料后吸波材料微波信號入射面的響應(yīng)S11a(f)，則反射率為Γ(f)＝|S11a(f)|2/S11m(f)|2(6)用分貝表示ΓdB(f)＝20×1g|S11a(f)|-20×1g|S11m(f)| (7)本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供的測量方法操作簡單，測量所需條件較低，不需要微波暗室等實驗條件，也無需較昂貴的測試附件，測試結(jié)果與理論計算較吻合，而且在實驗室條件下就可以不受外界電磁波的干擾進行吸波材料反射率的測量，無需制備大面積平板吸波材料，避免了在厚度均勻性控制上存在的較大誤差，該方法能使更多的科研人員對吸波材料反射率進行測試。


圖1是本發(fā)明的測量系統(tǒng)示意圖。
圖2是本發(fā)明的實施例1測量的吸波材料的反射率與利用文獻[8]中的理論計算得到的理論反射率曲線的比較。
圖3是本發(fā)明的實施例2測量的吸波材料的反射率與利用文獻[8]中的理論計算得到的理論反射率曲線的比較。
圖4是本發(fā)明的測量方法和弓形法測試結(jié)果以及與利用文獻[8]中的理論計算得到的理論反射率曲線的比較圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1選擇HP8722ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀6、APC-7mm同軸空氣線2、測試電纜1以及APC-7型轉(zhuǎn)換接頭5進行測試含80％鐵氧體的硅氧橡膠吸波材料反射率。
選擇HP8722ET網(wǎng)絡(luò)分析儀6和APC-7mm同軸空氣線2，將吸波材料制作成外徑7mm、內(nèi)徑3.04mm、厚度為3mm的同心環(huán)狀樣品3，使其與APC-7mm同軸空氣線2相配合使用，并保證樣品內(nèi)外徑尺寸誤差、同心度、端面與軸線的垂直度和端面的平整度小于0.05mm。其測量示意圖見圖1。將上述測試電纜1、轉(zhuǎn)換接頭5與網(wǎng)絡(luò)分析儀6進行裝配，確定測量參數(shù)，測量參數(shù)主要包括起始頻率2GHz、終止頻率18GHz、測量點數(shù)801、中頻帶寬3000Hz、輸出功率0dBm與平均因子20，并對它們?nèi)邩?gòu)成的測試系統(tǒng)進行測量校準；將校準后的測試系統(tǒng)與同軸空氣線2和金屬短路器4裝配，測量未包含樣品的同軸空氣線2和金屬短路器4構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11m(f)的對數(shù)值20×1g|S11m(f)|；將校準后的測試系統(tǒng)、外徑7mm、內(nèi)徑3.04mm、厚度為3mm的同心環(huán)狀樣品3、同軸空氣線2和金屬短路器4裝配，測量同心環(huán)狀樣品3、同軸空氣線2和金屬短路器4構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11a(f)的對數(shù)值20×1g|S11a(f)|；將反射系數(shù)S11a(f)的對數(shù)值20×1g|S11a(f)|與反射系數(shù)S11m(f)的對數(shù)值20×1g|S11m(f)|代入公式ΓdB(f)＝20×1g|S11a(f)|-20×1g|S11m(f)|，計算后得到該微波吸收材料反射率的分貝值ΓdB(f)，將測量結(jié)果與文獻[8]中的理論公式計算值繪制成曲線見圖2，由圖中曲線可以看出，實測曲線與理論計算曲線吻合較好。
實施例2選擇HP8757標量網(wǎng)絡(luò)分析儀6、APC-3.5mm同軸空氣線2、測試電纜以1及APC-3.5型轉(zhuǎn)換接頭5進行測試SiC陶瓷吸波材料的反射率，先將吸波材料制作成外徑3.5mm、內(nèi)徑1.52mm、厚度為15mm的同心環(huán)狀樣品3，使其與APC-3.5mm同軸空氣線2相配合使用，并保證樣品內(nèi)外徑尺寸誤差、同心度、端面與軸線的垂直度和端面的平整度小于0.05mm。
將上述測試電纜1、轉(zhuǎn)換接頭5與網(wǎng)絡(luò)分析儀6進行裝配，確定測量參數(shù)，測量參數(shù)主要包括起始頻率2GHz、終止頻率18GHz、測量點數(shù)201、中頻帶寬500Hz、輸出功率0dBm與平均因子50，并對它們?nèi)邩?gòu)成的測試系統(tǒng)進行測量校準；將校準后的測試系統(tǒng)與同軸空氣線2和金屬短路器4裝配，測量未包含樣品的同軸空氣線2和金屬短路器4構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11m(f)；將校準后的測試系統(tǒng)、外徑3.5mm、內(nèi)徑1.52mm、厚度為15mm的同心環(huán)狀樣品3、APC-3.5mm同軸空氣線2和金屬短路器4裝配，測量同心環(huán)狀樣品3、同軸空氣線2和金屬短路器4構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11a(f)；將反射系數(shù)S11m(f)與反射系數(shù)S11a(f)代入公式Γ(f)＝|S11a(f)|2/S11ma(f)|2計算后得到微波吸收材料反射率的線性值Γ(f)，將該線性值代入公式ΓdB(f)＝10×1g(Γ(f))計算后得到該微波吸收材料反射率的分貝值ΓdB(f)，測量結(jié)果與文獻[8]中的理論公式計算值繪制成曲線見圖3，由圖中曲線可以看出，實測曲線與理論計算曲線吻合較好。
實施例3將含60％納米鐵粉與環(huán)氧樹脂制備的微波吸收材料制成外徑7mm、內(nèi)徑3.04mm、厚度為3.2mm的同心環(huán)狀樣品3，先以HP8722ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀6、APC-7mm同軸空氣線2、金屬短路器4、測試電纜1以及APC-7型轉(zhuǎn)換接頭5對該同心環(huán)狀樣品3進行反射率測量，測量方法如實施例1，測量參數(shù)主要包括起始頻率8GHz、終止頻率18GHz、測量點數(shù)201、中頻帶寬300Hz、輸出功率0dBm與平均因子60，；再將含60％納米鐵粉與環(huán)氧樹脂制備成180×180×3.2mm的平板，以文獻[2、5]介紹的弓形法進行測量；再以文獻[8]中的理論公式計算得到該樣品的反射率值，將上述三種方法得到的反射率值繪制成曲線見圖4，在從圖中可以看出采用同軸法和弓形法測試結(jié)果雖然有一定不同，但整體上基本一致。由于制備大面積平板吸波材料在厚度均勻性控制上存在一定的誤差，因此弓形法測試結(jié)果與理論計算值之間存在一定的誤差；采用本文提出的方法，由于樣品較小，厚度可以實現(xiàn)均勻控制，因此測試結(jié)果與理論計算較吻合。
參考文獻[1]施景芳.隱身吸波材料反射率測試方法的研究[J].宇航材料工藝，1988，650-55[2]何山，王惠良.弓形法測量雷達吸波材料反射率[J].隱身技術(shù)，2001，127-29[3]何山.雷達吸波材料性能測試.材料工程[J]，2003，625-28[4]Jeffrey S.The use of a vector network analyzer for measuring the performance of radarabsorbing materials[R].ADA2471944，1991[5]呂嬰，何山，施景芳.雷達吸波材料反射率測試方法[S].GJB2038-94，1994[6]呂嬰，戴朝明，巢增明.雷達吸波材料吸收性能檢測[A].航空非金屬材料學(xué)術(shù)研討會[C]，1991[7]廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ).西安西安電子科技大學(xué)出版社[M]，1994，84-89[8]馮永寶，丘泰.基于改進遺傳算法的微波吸收材料優(yōu)化設(shè)計[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報.2005，37(2)99-10權(quán)利要求
1.一種微波吸收材料反射率的測量方法，其特征是包括以下步驟a、選取一臺可以直接或間接測量微波器件S參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析儀及與之相匹配的測試電纜和轉(zhuǎn)換接頭、同軸空氣線與金屬短路器后備用；b、將微波吸收材料制作成其端面和軸線垂直且尺寸與同軸空氣線相匹配的同心環(huán)狀樣品；c、將上述測試電纜、轉(zhuǎn)換接頭與網(wǎng)絡(luò)分析儀進行裝配，確定儀器測量參數(shù)并對它們?nèi)邩?gòu)成的測試系統(tǒng)進行測量校準；d、將校準后的測試系統(tǒng)與同軸空氣線和金屬短路器裝配，測量未包含樣品的同軸空氣線和金屬短路器構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11m(f)或反射系數(shù)S11m(f)的對數(shù)值20×1g|S11m(f)|；e、將校準后的測試系統(tǒng)、步驟b中制得的同心環(huán)狀樣品、同軸空氣線和金屬短路器裝配，測量同心環(huán)狀樣品、同軸空氣線和金屬短路器構(gòu)成的待測組合器件的反射系數(shù)S11a(f)或反射系數(shù)S11a(f)的對數(shù)值201g|S11a(f)|；f、將反射系數(shù)S11m(f)與反射系數(shù)S11a(f)代入公式Γ(f)＝|S11a(f)|2/|S11m(f)|2計算后得到微波吸收材料反射率的線性值Γ(f)，將該線性值代入公式ΓdB(f)＝10×1g(Γ(f))計算后得到該微波吸收材料反射率的分貝值ΓdB(f)；或者將反射系數(shù)S11m(f)的對數(shù)值20×1g|S11m(f)|與反射系數(shù)S11a(f)的對數(shù)值20×1g|S11a(f)|代入公式ΓdB(f)＝20×1g|S11a(f)|-20×1g|S11m(f)|，計算后得到該微波吸收材料反射率的分貝值ΓdB(f)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是所述的網(wǎng)絡(luò)分析儀為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或標量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是所述的待測樣品為同心環(huán)狀樣品。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是采用同軸空氣線作為微波吸收材料反射率測量的夾具。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是步驟c中的儀器測量參數(shù)為起始頻率、終止頻率、測量點數(shù)、中頻帶寬、輸出功率與平均因子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是所述的同軸空氣線的尺寸為外徑14.288mm、內(nèi)徑6.204mm；外徑7.00mm、內(nèi)徑3.040mm；外徑3.500mm、內(nèi)徑1.520mm；外徑2.921mm、內(nèi)徑1.268mm；外徑2.400mm、內(nèi)徑1.042mm中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是所述的同軸空氣線的接頭是APC-14型、N型、APC-7型、SMA型、APC-3.5型或K型中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是該方法的頻率測量范圍由同軸空氣線只傳輸橫電磁波時的使用頻率范圍和網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出頻率范圍共同決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是金屬短路器由高導(dǎo)電率金屬制成，其表面鍍銀或鍍金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是高導(dǎo)電率金屬為銅、金、銀、鋁、鋅中的一種或其合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波吸收材料反射率測量的簡單方法。該方法是以可以直接或間接測量微波器件S參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析儀及與之相匹配的測試電纜和轉(zhuǎn)換接頭、同軸空氣線與金屬短路器為測量系統(tǒng)，對加工成端面和軸線垂直且尺寸與同軸空氣線相匹配的同心環(huán)狀的微波吸收材料樣品進行反射率測量，本發(fā)明提供的測量方法操作簡單，測量所需條件較低，不需要微波暗室等實驗條件，也無需較昂貴的測試附件，測試結(jié)果與理論計算較吻合，而且在實驗室條件下就可以不受外界電磁波的干擾進行吸波材料反射率的測量，無需制備大面積平板吸波材料，避免了在厚度均勻性控制上存在的較大誤差，該方法能使更多的科研人員對吸波材料的反射率進行測試。
文檔編號G06F19/00GK1793871SQ20051009560
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者馮永寶, 丘泰, 沈春英, 李曉云, 楊建 申請人:南京工業(yè)大學(xué)