基于復(fù)反射系數(shù)法的介質(zhì)結(jié)構(gòu)功能厚度測量技術(shù)研究

柴永偉　王克先　劉尚吉

摘 要

控制介質(zhì)結(jié)構(gòu)功能件的電厚度是保證其電性能的重要技術(shù)手段。文中分析了復(fù)反射系數(shù)的測試原理及其與電厚度的關(guān)系，并據(jù)此研究設(shè)計了一套基于復(fù)反射系數(shù)法的單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)。經(jīng)過對介質(zhì)平板的復(fù)反射系數(shù)測試結(jié)果分析及驗證，該系統(tǒng)能夠?qū)橘|(zhì)結(jié)構(gòu)功能件的電厚度分布進行檢測。

關(guān)鍵詞

電厚度;復(fù)反射系數(shù);介質(zhì)結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TN820 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.015

0 引言

本文基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的復(fù)反射系數(shù)測試功能，研究設(shè)計了一套單探頭介質(zhì)平板反射法電厚度測試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對介質(zhì)平板的復(fù)反射系數(shù)進行測試，并對測試結(jié)果進行比對分析，驗證了該方法在工程上的可行性。

1 電厚度測量的基本原理

1.1 相位延遲

電厚度是指平面電磁波僅一次通過一種具有一定厚度的均勻無損耗電介質(zhì)層的相移量，其公式為：

式中：

Ф——電介質(zhì)層的相移量，單位°;

d——均勻介質(zhì)的物理厚度，單位mm;

λ——電磁波波長，單位mm;

εr——均勻介質(zhì)的相對介電常數(shù);

θ——入射角，單位°。

當(dāng)電磁波垂直入射時，得到此時的電厚度公式為：

1.2 復(fù)反射系數(shù)與電厚度的關(guān)系

將物理厚度為d的介質(zhì)平板的一面緊貼金屬短路層，將天線探頭放置在介質(zhì)平板的另一面進行復(fù)反射系數(shù)測試。圖1所示為復(fù)反射系數(shù)測量原理圖。則此時探頭處的復(fù)反射系數(shù)?？捎玫刃鬏斁€法求出[1]，其值為：

從公式（2）、（3）和公式（4）中可以看出，公式（3）中正好包含電厚度的公式（2）。這說明復(fù)反射系數(shù)和電厚度有著密切的關(guān)系，通過改變介質(zhì)平板的物理厚度，使反射系數(shù)發(fā)生變化，從而達到控制介質(zhì)平板電厚度分布的目的。

對于一個給定的均勻介質(zhì)平板，通過對公式（3）的分析可知，當(dāng)測試波長保持不變時，影響復(fù)反射系數(shù)和電厚度的參數(shù)，只有介質(zhì)平板物理厚度和介質(zhì)平板的相對介電常數(shù)。復(fù)反射系數(shù)與電厚度之間具備一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)介質(zhì)平板的電厚度偏離設(shè)計要求時，其復(fù)反射系數(shù)的值會偏離固定的范圍。

當(dāng)介質(zhì)平板的相對介電常數(shù)滿足設(shè)計要求，但電厚度值不在設(shè)計值范圍內(nèi)時，通過對介質(zhì)平板進行打磨或貼補，使介質(zhì)平板的物理厚度在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，可改變復(fù)反射系數(shù)的值，從而使介質(zhì)平板電厚度達到設(shè)計值范圍內(nèi)。當(dāng)介質(zhì)平板的物理厚度滿足設(shè)計要求，但電厚度值不符合設(shè)計范圍時，此時影響介質(zhì)平板電厚度的因素只有相對介電常數(shù)。但相對介電常數(shù)沒法通過物理修復(fù)手段改變，只有通過微調(diào)介質(zhì)平板物理厚度抵消相對介電常數(shù)變化所帶來的影響，保證復(fù)反射系數(shù)符合設(shè)計范圍，從而基本保證電厚度值在設(shè)計范圍內(nèi)。這就是電厚度微波反射測量的基本原理。

2 單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)

單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、穩(wěn)相電纜、波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器、天線探頭以及校正金屬平板組成，圖2所示為單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功能強大，能夠測量電磁波的復(fù)反射系數(shù)。它測量穩(wěn)定性好，能提供穩(wěn)定的頻率信號，并且精度高，工作頻帶寬，不僅能點頻測試，而且還能夠掃頻測試[2-3]。穩(wěn)相電纜作為柔軟射頻連接饋線，具有低損耗、高相位穩(wěn)定性及高功率等電性能特點，防止測試的時候因電纜位置的移動彎曲造成測試數(shù)據(jù)誤差問題。天線探頭用于發(fā)射和接收電磁波，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，同時便于手持測量，使用靈活。

3 復(fù)反射系數(shù)測試及分析

3.1 復(fù)反射系數(shù)隨厚度變化

為驗證該測量方法的可行性，用單探頭反射法測試系統(tǒng)對一實心介質(zhì)平板進行了測試。將金屬板分成不同的區(qū)域，采用在不同區(qū)域加貼不同層數(shù)玻璃纖維預(yù)浸布的方法改變介質(zhì)板的厚度，用不同的頻率去測試復(fù)反射系數(shù)。玻璃纖維預(yù)浸布的厚度為0.2mm，測量頻率點為9.0GHz、9.5GHz、10.0GHz。測試前，將天線探頭放置在金屬板上進行校準，校準后，此時復(fù)反射系數(shù)顯示0°。復(fù)反射系數(shù)測量結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，測得的復(fù)反射系數(shù)相位在不同的頻率下，隨著鋪層厚度的增加，呈現(xiàn)出單調(diào)線性變化的趨勢，這證明了單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)的可行性。

3.2 介質(zhì)平板的測試及校正

為驗證該測試方法在工程上的可行性，對某一實心介質(zhì)平板用以上方法進行驗證測試。該介質(zhì)平板的電性能測試結(jié)果表明部分掃描角的電性能指標不能滿足設(shè)計要求。為了找到該介質(zhì)平板制造缺陷的具體位置并進行修復(fù)，我們對該介質(zhì)平板進行復(fù)反射系數(shù)測試。首先，在介質(zhì)平板一面貼上鋁箔，作為反射面。其次，在介質(zhì)平板另一面，我們根據(jù)測試單元測試面積的大小，將介質(zhì)平板劃分成若干個測試點。測試時，選取矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的復(fù)反射系數(shù)測試功能，并將頻率設(shè)置成10GHz。將測試天線的探頭放置在金屬板上進行校正設(shè)置，校正設(shè)置完后，此時復(fù)反射系數(shù)顯示0°。然后將探頭放置在介質(zhì)平板的測試點上，按順序依次測量，并從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。該介質(zhì)平板根據(jù)設(shè)計要求，會有一個標準值，取該標準值的±1°范圍作為該介質(zhì)平板的設(shè)計公差。將測試后的復(fù)反射系數(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計的公差比較，發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)平板的多處區(qū)域，其測試的數(shù)值的不在公差范圍內(nèi)，有的低于公差下限，有的高于公差上限。經(jīng)理論分析，低于公差下限的區(qū)域偏厚，需要打磨減少壁厚，高于公差上限的區(qū)域偏薄，需要貼補增加壁厚。將復(fù)反射系數(shù)的偏差值與物理厚度進行轉(zhuǎn)化，計算該區(qū)域的打磨或貼補的量值，并進行打磨或貼補。打磨、貼補校正前后，對介質(zhì)平板進行復(fù)反射系數(shù)測試的結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，經(jīng)過對超差區(qū)域的罩壁打磨或貼補后，其超差區(qū)域的復(fù)反射系數(shù)測試值已經(jīng)在公差范圍內(nèi)。對介質(zhì)平板重新進行電性能測試，其電性能測試結(jié)果得到改善，滿足了設(shè)計要求。

通過該系統(tǒng)對介質(zhì)平板的校正實例應(yīng)用，證明了單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)在工程應(yīng)用的可行性。

4 結(jié)論

根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的復(fù)反射系數(shù)測試功能，研究設(shè)計的單探頭反射法電厚度測試系統(tǒng)具有重要的工程應(yīng)用價值，為高電性能介質(zhì)結(jié)構(gòu)功能件的制造提供了一種過程質(zhì)量保證手段。

參考文獻

[1]唐漢.微波原理.南京：南京大學(xué)出版社，1990.

[2]Hore C A.The six-port coupler：a new approach tomeasuringvoltage，current，power，impedanceandphase. IEEE Trans IM，1972，21：466～470

[3]湯世賢.微波測量.北京：國防工業(yè)出版社，1981.