透波介质材料的介电性能及测试方法_于技强

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四川兵工学报
和传输参数的测量从而得到介质 材料介电参 数的目的 , 所使 用的方法主要是频域测 量法 , 主要包 括传输线 法 [ 14- 15] 、 谐振 [ 16- 17] [ 18- 20] 腔法 和 自由 空 间法 。几种 测 试方 法 归结 于 表 1[ 21] 。
的条件下 , 2 个响应接受 通道将 入射波 和反射 波分别 下变频 至适当的中频上 , 通过对 2 路信号进行比 值运算从 而得出被 测网络的矢量系数 [ 12- 13] 。 透波材料介电 性能的 测试 主要是 利用 对微 波信号 反射
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2 透波材料介电性能的测试方法
透波材料的介电性 能决定了其透波率的 大小 , 对 透波材 料的介电性能的 测试 是评价 透波 材料性 能的 主要手 段。目 前 , 对透波材料介电 性能的 测试 主要是 用矢 量网络 分析 仪 , 其激励被测网络信 号为 正弦波 信号 , 主 要由 激励信 号源、 测 试装置、 接受装置 和校准 件 4 部分构 成。在测 试过 程中 , 由 信号源产生的信号 被分 为 2 路 , 一 路作 为参 考信号 , 另 一路 作为被测网络的激励源 , 被测网络的入射 波和反射波 通过定 向耦合器被分离出来 , 由于在高频段要直 接对两路信 号的矢 量运算比较困难 , 因此 , 在 保持 被测信 号的 幅度 和相位 信息
第 32卷
第 4期
四 川 兵 工 学 报
2011 年 4 月
=制造技术 >
透波介质材料的介电性能及测试方法
于技强, 刘敬松, 霍冀川
( 西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室 - 省部共建 国家重点实验室培育基地 , 四川 绵阳 621010)
摘要 : 介绍了天线罩透波介质材料的介电性能及 要求 , 分析 了矢量 网络分析 仪的测 试原理 , 详 细介绍 了透波介 质材 料电性能的常用 测试方法。根据各种方法的优缺点 及适用 条件选 择合理的 测试方 法 , 对透波 介质材 料的介电 性能 做出精确的评价 。 关键词 : 透波材料 ; 介电性 能 ; 测试方法 中图分类号 : V 250. 3 文献标识码 : A 文 章编号 : 1006- 0707( 2011) 04- 0099- 03 波的波长 ; H是电磁波在介质材料表面的入射 角 ; E 和 tanD分 别是介电常数和损耗角 正切。 对于透波材料 , 介 电常数 越大 , 电 磁波在 空气 与天 线罩 界面的反射 就越 大 , 这 将增 加镜 像 波瓣 电 平并 降低 传 输效 率 , 而且介电常数偏大对应的单层半波壁 结构天线罩 的壁厚 就越薄 , 会影响 天 线罩 的强 度 性能。 而损 耗角 正 切 tanD越 大 , 电磁波能量在透过天线罩的过程中转 化为热量而 损耗掉 的能量就越多 [ 9- 10 ] 。因此 要求透 波材料 的介电 常数尽 可能 低 , 损耗角正切低至接 近于 零 , 以达到 最小 反射 和最大 传输 的目的。并且材料的 E和 tanD不随温度、 频率有明显 的变化 ( 如温升 100 e , E 变化 小于 1 % ), 以保 证 在气 动加 热 条件 下 , 尽可能不失真地透过电磁波 [ 5] 。 电磁波传播的实际 环境涉及到各种各样 的电介质 , 电磁 波的传播 过 程 也就 是 电 磁 波与 电 介 质 相互 作 用 的 物理 过 程 [ 11] 。在电磁波与电介质相互作用的 过程中 往往会 引起电 介质的极化 , 而材料 的介电 性能 是由电 介质 的极化 引起 的 , 电介质的介电常数及介电性能随 温度、 频 率和其他因 素的变 化规律与极化有关 , 某些极化过程伴随着 在电介质中 发生能 量损耗。对于飞行 器用透 波材 料在高 温高 频状 态下主 要发 生电极化损耗和表面电 导损耗 [ 9] 。
图 1 传输线法测试示意图 在测试过程中 , 将被测样品放入被测 系统中作 为双端口 网络 , 通过对信 号源 产 生的 信 号的 测量 得 到传 输和 反 射信 号, 则: G - G0 G + G0 2G 传输系数 3 = G + G0 反射系数 # = 其中 G0 = 计算公式 : E= 3 - 2# 3
( 6)
通过对反射信 号和传 输信 号的测 量可 以得 出反射 系数 和传输系数 , 从而推出该介质的介电 常数。该方法 最主要的
+
1 4 l2
( 7)
于技强 , 等: 透波介质材料的介电性能及测试方法
f = c 1 1. 64a
2
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+
1 4 l + $l
宜再用自由空间法 [ 21 ] 。
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透 波 材料 是 指 对 波 长 在 1 ~ 1 000 mm, 频 率 在 01 3~ 300 GH z 的电磁波的单向透 过率大于 70% 的 材料 [ 1] , 它是集 结构、 防热、 透波于一体的多功能介 质材料 , 主要用 于制造飞 行器的天线罩和天线 窗 [ 2- 3] 。天线罩 是飞行器的 重要部 件 , 它的主要作用就是 要保护 飞行 器在工 作过 程中 免受恶 劣环 境的影响 , 还要保 证电 磁波信 号正 常地传 播。因此 , 透 波材 料性能的优劣就 确定 了天线 罩的 应用范 围。从 使用环 境可 知 , 作为制造天线罩 的透波 材料 应具有 良好 的耐高 温性 能、 耐冲击性能和耐腐 蚀性 能 , 另外 , 最重 要的 就是 还要有 优异 的介电性能。对透 波材料 介电 性能测 试技 术的 研究是 发展 透波材料的技术保证 。
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( 4) ( 5) 图 2 谐振腔法测试示意图 未放置样品 时空腔的谐 振频率和 品质因数分 别为 f 0 和 Q0 , 放入样 品后测试腔的谐振频率和品质因数分别为 f 和 Q, 则: f0 = c 1 1 . 64a
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L0 ; G= E0
L 。通 过推导 可得 出介 电常 数 E的 E E0 L L0
参考文献:
[ 1] [ 2] 仝毅 , 周馨我 . 微波透波材料的研究进展 [ J]. 材料导报 , 1996 , 11( 3): 1- 5. F acc iano A. H igh- te mperature o rgan ic co mposite app lication fo r superson ic m issileair fra m es [ J]. SAM PE J , 1999, 35 ( 6): 13- 16 . 李超 , 刘建超 , 陈青 . 航天透波符合材料的研究进展 [ J]. 高科技纤维与应用, 2003 , 28( 6): 34- 39 . 刘顺华 , 刘军 民, 董星龙 . 电磁波 屏蔽及吸波 材料 [ M ]. 北京: 化学工业出版社 , , 2006: 108- 134. 刘丽 . 天线罩 用透波材料 [M ]. 冶金工 业出版社 : 北京 , 2008 : 3- 6. 彭望泽 . 防空导弹天线罩 [M ]. 宇航出版社 : 北京 , 1993: 164- 173. 袁海根 , 周玉玺 . 透波符合材料研 究进展 [ J]. 化学推进
E c = 1+
1 V f0 - f 2 $V f
3 结束语
( 9) 随着科学技术的发 展和航天事业的进步 , 对用于 制造飞 行器天线罩的透波材料的性能要 求越来越高 , 特别是 介电性 能。因此 , 对透波材料介电性能测试技术 的研究是航 天事业 发展的关键 , 这就要求对透波材料的介电 性能要做出 精确的 测试。以上介绍了 用于测 试介 质材料 介电 性能 的常用 的几 种方法 , 但各有适用条件和优缺点。只有 选择正确的 测试方 法 , 才能准确地测试出 介质 材料的 介电 性能 , 更 好地发 展航 空航天事业。
1 透波材料介电性能的测试方法
介电性能是评价 透波材料性能最重要的 一个标准 , 由透 波材料的用途可知 , 具有良好透波性能的 材料应具 有良好的 介电性能。介电 性能 一般 用 3 个参 数来 描述 [ 4] : 电 阻率 E 、 介电常数 E和损耗 角正 切 tanD 。但 电阻 率是 一个 宏观 物理 量 , 并不能反映微观电 输运 机制 , 因此 在判 断透 波材料 性能 的优劣时 , 一般不用电阻率 Q , 而是用介电常数 E和损耗角正 切 tanD 。高性能透 波材料 通常 要求 材料 要有 低的 介电 常数 ( E< 10 )和 低的损耗角正切 ( tanD< 10- 2 ) [ 5- 7 ] 。 电磁波在传播过 程中遇到 介质 材料时 , 能 量损 耗 ( 主要 是热损耗 )、 反射系数和透波率有如下关系 式 [ 8 ] : 2Pd E tanD 能量损耗 : A = K D- sin2 H 1 2 反射系数 : # = 透波率 : 式中 : < = 3
( 1)
E- sin2 H E- sin2 H
2
1 2 1 2
- E cosH + E cosH
( 2) ( 3)
=
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1- # 2 2 1- # 2 + 4# 2 sin2 <
1 2Pd E- sin2 H 2 ; d 为 介质 材 料的 厚度 ; K是 电磁 K
收稿日期 : 2011- 03- 03 基金项目 : 国家高技术研究发展计划项目 ( 2009AA 035002) 作者简介 : 于技强 ( 1986) ), 男 , 硕士研究生 , 主要从事铬基透波材料的研究。通讯作者 : 刘 敬松 , 硕士生导师。
2. 1 传输线法 传输线法主要 是通过 测量 信号遇 到介 质样 品时的 反射 系数和传输系数 , 从而 确定 介质 的介电 常数 , 它 是测量 介电 常数最成熟的方法 ( 如图 1 所示 ) 。
优点是可以进行 宽频 带测试。 需要注 意的 是当 测量的 样品 的厚度为半个波长的整数倍时会 产生一定的 反射叠加 , 在该 点经过推导得 到的介 电常 数值 并不 可靠 [ 22 ] , 而且 传输 线法 往往适用于高损耗的介质材料 , 对低损耗 的介质材料 测试时 误差较大 , 其测试精度 范围为 1% ~ 2% 。另 外 , 该方法 还要 求样品的外形尺寸应与波导壁完 全接触 , 避免电磁波 信号绕 射传播 , 以减小测量误差。 2. 2 谐 振腔法 谐振腔法是谐 振腔中 有无 放置样 品时 谐振 频率和 品质 因数的变化来计 算样 品的介 电常 数。主要 分为 平行板 和圆 柱形谐振腔两种 , 圆形谐 振腔有 高 Q 值的特 点 , 因此可 以测 试低损耗的介质材料 , 对于透波介质材料 往往使用圆 柱形谐 振腔 ( 如图 2 所示 )。
目前 , 谐振腔法是微波频段测试材料 介电性能 的重要方 法 , 有极高的测试精度 ( tanD? 0 . 000 02), 对低损耗 介质材料 可测至 10- 6的量级 , 但也存在一定的局限性。 谐振腔法只能测 试材料点频的介电性能 , 对于 宽频带测 试就有一定的局限 性 , 分析 也比 较复杂 , 而 且只 适用于 低损 耗介质材料的测试 , 对于高损耗介质材料 的测试往 往存在较 大误差。 2. 3 自由空间法 自由空间法是 利用发 射天 线将微 波信 号发 射到自 由空 间 , 微波信号遇到样品 时发 生反 射和透 射 , 利用 接收天 线接 收这些反射和透射信号 , 从而完成对介质 材料介电 性能的测 试 ( 如图 3 所示 ) 。
表 1 几种微波 介电性能测试方法 微波介电性能测试方法 同轴线 传输线法 波导管 传输线 微扰法 谐振腔法 开式腔法 屏蔽腔法 反射法 自由空间法 投射法 干涉法 2. 0 GH z~ 110 GH z 样品表面平整 , 表面积大于波束横截面面积的 3 倍 2. 0 H z~ 18 GH z 2. 0 H z~ 30 GH z 1. 0 H z~ 30 GH z E= 2~ 10, tanD = 1 @ 10- 4 ~ 5 @ 10- 3 E= 5~ 100 , tanD= 2 @ 10- 4 ~ 6 @ 10- 3 E= 2~ 120 , tanD= 1 @ 10- 4 ~ 6 @ 10- 3 0 . 2 H z~ 110 GH z 适用高损耗材料 , 对样品的形状和表面状况要求较高 频率范围 适用范围
1 V 1 1 Ed = ( 10 ) 4 $V Q Q0 式中 : c 为光速 ; a 为腔体 的半径 ; l 为 圆柱腔 的长 ; $ l 为 放入 样品后使谐振腔谐振 腔长的变化 量 ; V 为空 腔的体 积 ; $V 为 放入样品的体积 , 可得到 : tanD = Ed Vf 1 1 = Ec 4$Vf + 2 f 0 - f V Q Q0 ( 11 )