国家标准 GB/T35680一2017 液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法 Measuringmethodforelectromagnetieparametersofliquidmaterialsat micerowavefreqeneiesusinganopen-endedcaxialprobe 2017-12-29发布 2018-07-01实施国家质量监督检验检疫总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB/35680一2017 前言本标准按照GB/1.1一2009给出的规则进行起草本标准由电器工业协会提出本标准由全国电磁屏蔽材料标准化技术委员会(SAC/TC323)归口本标准起草单位:电子科技集团公司第四十一研究所、上海市计量测试技术研究院、安防高科电磁安全技术(北京)有限公司、苏州市质量技术监督综合检验检测中心、北京邮电大学、北京理工大学上海交通大学本标准主要起草人年夫顺、郭荣斌、王亚海、赵锐、胡大海,蔡青、陆福敏,朱安东刘斌黄鑫刘小明胡伟东、吕听,来磊、陈超蝉,左建生,桑昱、缪铁,朱建刚金荣洪
GB/T35680一2017 液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法范围本标准规定了在微波频段使用开口同轴探头测量液体材料电磁参数的方法本标准适用于100MHz一50GHz频段范围内使用开口同轴探头对均匀各向同性的液体材料的相对介电常数及损耗角正切的检测规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T4365电工术语电磁兼容术语和定义 GB/T4365界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 复数介电常数complexrelativepermittivity 可通过式(1)计算: =e e，=en(e'一je" 式中 -真空介电常数,等于&.85x10"F/m E 复数相对介电常数 -相对介电常数的实部; -相对介电常数的虚部注:本标准所述及的复数介电常数实际上均指相对介电常数,并以相对介电常数的实部e'和介电损耗角正切 ana,="/'表征之测试样品要求测试样品为均匀、各向同性的液体材料,置于玻璃容器内,样品剂量应满足式(2),式(3): Sl0S 2 80mm 3 h 式中: -测试样品测试面的表面积,单位为平方米(m'); S 探头终端的表面积,单位为平方米(m'); -测试样品深度样品无杂质,测试前应保证液体均匀无气泡
GB/T35680一2017 5 -般要求 5.1环境条件测量条件应满足以下要求环境温度:(23士5)C; a 相对湿度;<65% b 气压;:86kPa106kPa; c 供电电源;单相交流220×(1士10%)V,50×(1士5%)Hz; d 其他;测试过程中,周围无影响探头终端的电磁干扰 e 5.2测量设备测量设备应满足以下要求矢量网络分析仪 a 接收机噪声电平;<一110dBm: 端口输出功率:0dBm; 最小分辨带宽;不大于10Ha 最大允许误差;士0.5dlB; 频率范围:应满足实际测量需求 b) 开口同轴探头参见附录A 温度计 c 测量范围:18C28C; 最大测量不确定度:士0.5C 5.3电磁参数的计算对单端口探头终端进行校准处理后得到实际的反射系数,然后进行电磁参数的反演计算,计算过程如下单端口探头终端校准 a 在进行电磁参数计算之前,应首先对单端口探头终端进行校准,消除矢量网络分析仪的内部噪声转接头、线缆等对反射系数的影响,保证矢量网络分析仪显示的是单探头最终端面的反射系数选择空气、去离子水、短路器3种反射系数已知的标准测试样品作为校准件,空气理论反射系数为r,去离子水的理论反射系数为rww,,短路器理论反射系数为ramn,.,测量3种样品对应的反射系数rrm、理论反射系数与测量的反射系数之间满足如下关系 TweEm、rhwrm 4 T”m=ed十式中 ea 方向性误差; 频率跟踪误差; e 等效源失配误差将测量结果n.m、Irm,in.m以及理论反射系数rn.,rwtt..、Irb.,分别代人式(4),得到3个方程组
GB/T35680一2017 T ( air_m=e eIwer r过-且=e十 e,rw eIhor rharm=ed十 e,Ihr 求解方程组即可得ea、e、e,,从而得到实际反射系数与测量的反射系数之间的关系,完成单端口探头终端校准,详细校准过程见附录B b)计算方法通过式(8)和式(9)进行迭代求解,得测试样品的相对介电常数e,,详情参见附录C 8 n=Mo从1/(ee [J,(k.a一J(k.b)][1十2exp(一、/及EE,Ad]e,joe - d 1一2exp(一、wEwE,A从d]k.V一wEe8 E,/Ao丛, 式中 -同轴探头内导体外径的一半,单位为米(m); 同轴探头外导体内径的一半,单位为米(m); 液体有效厚度,单位米(m). 角频率,单位为弧度每秒rad/s). J.(r) -零阶第一类贝塞尔函数; 连续特征值 -反射系数 -真空中介电常数 -真空中磁导率; 从 -同轴探头填充材料的相对介电常数; -同轴探头填充材料的相对磁导率 " -测试样品的相对介电常数电磁参数测量 6.1设备连接要求按图1所示连接测量设备
GB/T35680一2017 矢量网络分析仪连接电维探头渊试液体图1设备连接示意图 6.2测量步骤 6.2.1校准: 将同轴探头终端置于空气之中,确保终端附近无强散射体,记录此时矢量网络分析仪的反射 a 系数 b)将同轴探头终端深人去离子水之中5mm以上,确保测试过程中水温基本恒定(变化在士1摄氏度范围内),探头距离容器底端不宜太近(测试频率0.1GHHz10GHz建议50mm以上,测试频率10GHz30GH2建议40mm以上,测试频率30GHz50GH么建议30mm以上记录此时水温及矢量网络分析仪的反射系数将同轴探头终端连接短路器,确保探头终端无水分,与短路器之间无空气缝隙,记录此时矢量网络分析仪的反射系数; d 根据式(4)及步骤a),b),ce)的测量结果和空气、去离子水、短路器理论反射系数计算3个误差系数ea、e.、e,,得出同轴探头终端实际反射系数与测量反射系数之间的关系以进行同轴探头校准,可参照附录B完成 6.2.2测试样品测量: 将清洁、干燥的开口同轴探头终端浸人测试液体中,浸人液体的深度及探头到容器底端距离参考6.2.1中b的要求; b 记录此时矢量网络分析仪显示的反射系数根据式(9)推算出测试样品的相对介电常数,测试结果示例参见附录D
GB/35680一2017 附录 A 资料性附录同轴探头参数同轴探头结构如图A.1所示,其参数满足以下要求频率范围:100MHz一50GHz; a 建议内导体外径;60.52mm; b 建议外导体内径:1.67mm; c 填充介质:聚四氟乙烯; d 建议采用半钢电缆探头,长度范围50mm一200mm e 建议连接探头的电缆长度小于1m. f 单位为毫米填充介质图A.1同轴探头结构示意图
GB/T35680一2017 附录 B 资料性附录) 单端口探头终端校准原理校准参数求解 B.1 单端口探头终端校准,测量所得的反射系数r与探头终端实际的反射系数r.之间满足式(B.1). B.1 T'm=ed十 1一e,I 式中方向性误差; e 频率跟踪误差; 等效源失配误差只需求出上式3个未知量,即3个校准参数,找到测量所得的反射系数r与探头终端实际的反射系数之间的对应关系因此,通过测量3种介电常数已知的材料的反射系数即可得3个关于e d、er、，的方程 3个变量3个方程的条件下,即可求得校准参数e,e,e 终端短路和终端开路是最简单情况,终端短路情况下,反射系数r =一1,实现的方法是同轴探头终端接短路板;终端开路即校准材料为空气,由于空气的相对介电常数已知为1,反射系数r,=1: 另外一种相对介电常数已知的材料一般选择常温下去离子水,水的相对介电常数可以通过式(B2)计算得到去离子水的理论相对介电常数与其温度有关,可以通过Cole-Cole关系式(参考文献[4])计算得 (B.2 e=e'一je"=e 十 1w 式中直流介电常数 d 光频介电常数迪拜弛预角频率 wo ColeCole因子表B.1给出了一些常温下e,E.,o,a的取值表B.1去离子水Colec-Cole参数 o 温度元材料光频介电常数e 直流介电常数e ColeCole因子a GHz 去离子水 20 5.2 80.4 17 25 4.22 78,6 18.09 0.013 去离子水参考式(B.2)计算20C去离子水在0.1GHz一50GHz范围内的相对介电常数曲线如图B.1所示
GB/T35680一2017 0F 实部 80 虚部 70 60 0 0 30 20 10 2 2 10 30 35 颊率/GH 图B.1去离子水理论相对介电常数曲线20C 代人式(9)进行积分求和,可求得去离子水理论的反射系数r 把测量所得相对应3种情况下 wAter1o 的反射系数rhm、,r、ram,分别代人式(B.1)的r,得 (B.3 e wrm=ea B.4 e,Twen eI,h B.5 'lorm=ea e,In 求解三元方程组可得 Twte rir，十Cwm wte 十rwter 'r， (B.6 B.7 ra we e,T'uL (B.8 一e.Tr 将求得的误差系数ei、e、e,代人式(B.1)即可完成测试数据到探头终端直实反射系数的换算转化实现单端口探头终端校准
GB/T35680一2017 B.2校准参数代入后,实际测试中,探头浸人被测样品中,设当前测得探头反射系数根据B.1求出校准参数ed、e、e， ,则根据式(B.9)计算探头终端实际的反射系数r,完成校准步骤为T measure ... B.9 rm e,’m eae，十e
GB/35680一2017 录附 C 资料性附录电磁参数反演方法本标准采用的同轴探头测试模型,如图c.1所示,设同轴探头外导体内径为2b,内导体外径2a,被测液体有效厚度为d 同轴探头内填充介质的相对介电常数和相对磁导率分别为e，和i,测试样品的相对介电常数和相对磁导率分别为e，和4, 26 填充材料同轴探头被测液体图c.1同轴探头测试模型示意图准静态模型下,假设同轴探头内仅传输TEM主模,忽略时谐因子,电磁波经过测试样品的反射后同轴探头内的正向波和反向波的复合电磁场可以表示为 A[exp(- Ee= j,2十IFexp(ik， C.1 C.2 H一 -[exp(一k,之)一rexp(k,之] 7-r" 式中: E -探头内电场分布; 月探头内磁场分布; 柱坐标系下的坐标变量; r、9、 -反射系数 A 探头终端端面正向电磁场的振幅角频率; -真空中的介电常数和磁导率 eo、Ao 变量k,=w、Ew4E,？,=w/47EE,被测液体中的电磁场可以表示成包含高次模在内的所有平面波的积分型叠加 E B(k.)[exp(一x)十,(k )exp(]×Jk r)k.d C.3
GB/T35680一2017 H B(k.)Yk.)[exp(一:)一(k.)exp(x]×J(k.,r)b.dk C.4) 式中 E 液体内电场分布; H 液体内磁场分布; -阶第一类贝塞尔函数 1r B(k 频域表示的场振幅; 连续特征值; 而y=、/一且Re(Y)>0,k,=w、AEMAE,Yk.)=joee/>y,r,(k)=一exp(一2d) 在 =0的平面电磁场满足边界条件 [A(1十r ,asrsb 广uA,)十r(4.)t.>) rl,广 C.5 A(1一一r(k.)].(k.r)k.dk a<" n以.xt.>- 7r C.6 将式(C.5)的两边同乘以J(k'r)r后并做积分运算， A(1十P) -r,(k.]Ji(k.r)k.,dk.J.(k',r)rdr J.(k',r)rdr 广nw.)Yt.>- C.7 根据贝塞尔函数的正交性一k',) C.8 j1,住(e/d-nt 可得 -J.k'b [..aD B(')[1+,(k'.]=A(十r) C.9) 把上式代人式(C.6)作积分dr运算,并化简,得: 1一r(k [.(k.a)一J.(k.b)]？" TIra" dk +下=n(6a. C.10 整理得 h.a)-.6.7[上2es店"El 品 -dk na 1一2exp(一、EE,M从,d]k.V一 e0e,/M' C.l1 上式是关于自变量e,变量r的非线性方程包含一阶贝塞尔函数,贝塞尔函数具有震荡性和趋于无穷时收敛的性质通过对上式进行迭代求解即可求解测试样品的相对介电常数 10
GB/35680一2017 附录 D 资料性附录测试结果示例采用本标准讨论的测试方法对介电常数已知的材料进行试验测试,以25C去离子水为校准样品图D.1,图D.2和表D.1是对20C下去离子水的电磁参数测试数据与其理论值对比结果 90 计算理论 80 70 60 50 40 30 20 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 频率/GHz 图D.1去离子水相对介电常数实部对比数据20C 11
GB/T35680一2017 40 计算理论 35 30 25 20 月 15 10 15 20 店 30 35 40 频率/GHz 图D.2去离子水相对介电常数虚部对比数据(20C 表D.120C去离子水的相对介电常数理论值与测试值对比频率/GHz 理论值测试值 80,384十2.,209i 0.5 80.335十2.2099 79.827+6.5408i 79,897十6,.4799i 1.49 78.833十10,742i 78.89+10.694i 2.48 77.392十14.736i 77.442十14.7231 3.47 75,557十18,458i 75,616十18.459 4.46 73.391十21.861i 73.45十21.861i 5.45 71.02+24.916i 70.963十24.912i 6.44 68.392十27. 7.43 68.339十27.596i .603i & 65.586+29.909 65,63929,914i n.n 62.763+31.863 2.814十31.87i . 59.921十33,476i 59.971十33,483i 57.101十34.774i 57.147十34.776i 1l.39 54.34十35,785i 4.385十35.789i 12.38 51.662十36.541i 51.7十36.548i 13.37 49.086十37.071i 49.122十37.076i l4.36 15.35 46.626十37,405i 46,662十37,404i 16.34 44.288+37.571i 44.32+37.573i 42.077十37.593i 42.ll37.593i 17.33 18.32 40.029+37.5i 39.994+37.495 38.035+37.297i 38.073十37.301i 19.31 20." 36.199十37.016i1 36.234十37.025 12
GB/T35680一2017 表D.1续) 频率/GH 理论值测试值 21.29 34.479+36.668i 34.51十36.664i 22.28 32.871十36.265i 32.896+36.,278i 23.27 31.36935.82i 31.396+35.827i 24.26 29.965十35.342i 29.989十35.348i 28.655十34.838i 28.684十34.844i 25.25 27.432十34.316 27.464十34.318i 26.214 27.23 26.29十33.781i 26.337十33.783i1 28.22 25.223十33.239 25.249十33.25 29.21 24.262+32.71 24.227十32.692i 30.2 23.295十32.145 23.3232.153i1 -31.i 31.19 21.621十31.056i 21.608十31.059i 32.18 20.844十30.5237 20.859十30.524i 33.17 20.127十29.995i 20.15十30.004i 34.16 19.455十29.475i 9.474+29.484i 35.15 36.14 18.825十28.965i 18.848+28.955i 37.13 18.232+28.464 18.261十28.46i 38.12 17.675十27.973i 17.706+27.974i Bn 17.15十27.493i 17.175+27.491i 0.1 16.656十27.023i 16.671十27.023i 16.21十26.5771 16.191十26,565i 41.09 15.751十26.118i 42.08 15.783十26.118i 15.336十25.681i 15.368- .686i 43.07 十25. 44.06 14.944十25.255 14.968十25.2581 45,05 l4.574十24.84i 14.587十24.84i 46.04 14,223十24,436 14.242十24,445i 47.03 13.89十24.041i 13,.907十24.043i 48.02 13,575十23,657i 13,591十23.662i 49.01 13.276十23.283i 13.288十23.29i 50 12.992十22.919i 13.016十22.928i 13
GB/T35680一2017 考文献参 [1]GB/T5597一1999固体电介质微波复介电常数的测试方法 [2幻 GB/T7265.1一1987固体电介质微波复介电常数的测试方法微扰法 [3]GB/T7265.2一1987固体电介质微波复介电常数的测试方法“开式腔”法 []BELHAD-TAHARN.MEYERo.FoURRIERLAMERA.Broadbandmierowavecharae applieations forthinconductive ofbilayeredmaterials usingacoaxialdiscontinuitywith ter1zation ilmsformieroelectronicsandmaterialinairtightcellIEEETransactiononMierowave Theory and Technigues，1997，45(2):260-267 14

液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法GB/T35680-2017

液体材料的电磁参数是指该液体材料在电磁场中所表现出的特性。这些参数决定了液体材料在电磁场中的响应，是评价液体材料微波性能的关键因素。本文将介绍液体材料在微波频段下使用开口同轴探头进行电磁参数测量的方法，主要参考国家标准GB/T35680-2017。

一、什么是开口同轴探头

开口同轴探头是一种用于测量材料电磁参数的探头。它由内外两个同轴圆柱构成，中间有一个小孔作为测试通道。通过探头与待测物质接触，测量微波在内外同轴之间传输的特性，从而计算出待测物质的电磁参数。

二、液体材料微波频段下的电磁参数测量方法

在微波频段下，使用开口同轴探头进行液体材料的电磁参数测量是比较常见的一种方法。具体的测量方法如下：

首先需要选择合适的开口同轴探头型号，并设计好相应的测试装置。对于不同形状和大小的样品需要相应的设计不同的装置。
将待测试的液体材料注入到测试装置中，并与开口同轴探头接触。
向探头中输入一定频率和功率的微波信号，测量微波在探头内外同轴之间的传输特性。根据传输特性计算出待测液体材料的电磁参数。
在测量过程中需要注意不同频率下的波长变化，以确保测量结果的准确性。

三、总结

液体材料在微波频段下的电磁参数测量对于评价其微波性能具有重要意义。在实际应用中，使用开口同轴探头进行测量是一种比较可靠的方法。但需要注意不同频率下波长变化对测量结果的影响。