GB/T 35679-2017 固体材料微波频段使用波导装置的电磁参数测量方法

ICS29.035.01

K,5e

中华人民共和国国家标准

GB/T35679—2017

固体材料微波频段使用波导装置的

电磁参数测量方法

Measuringmethodforelectromagneticparametersofsolid

materialsatmicrowavefrequenciesusingwaveguide

2017-12-29发布2018-07-01实施

发布

GB/T35679—2017

目次

前言in

i范围1

2规范性引用文件1

3术语和定义1

4一般要求2

4.1环境条件2

4.2测量设备2

5S参数测量方法3

5.1原理3

5.2样品制备3

5.3矢量网络分析仪校准4

5.4样品安装5

5.5参考样品电磁参数测量6

5.6被测样品电磁参数测量6

6电磁参数的计算6

6.1传输反射计算法6

6.2简化传输反射计算法6

6.3迭代四参数计算法6

6.4迭代单参数计算法7

6.5电磁参数计算方法比较7

附录A（规范性附录）波导、波导同轴转换器和样品尺寸8

附录B（规范性附录）电磁参数的计算步骤11

附录C（规范性附录）基于串联电容模型的频率不相关的空气间隙修正方法18

附录D（资料性附录）样品局限性19

附录E（资料性附录）电磁参数测量的不确定度来源20

参考文献21

T

GB/T35679—2017

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刖百

本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

本标准由中国电器工业协会提出。

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：中国航天科工集团二院二O三所、上海市计量测试技术研究院、中国电子科技集

团公司第四十一研究所、中国电子科技集团公司第二十六研究所、上海交通大学。

本标准主要起草人:吴红森、王淞宇、陆福敏、蔡青、郭荣斌、韩玉峰、黄建领、左建生、桑昱、王亚海、

来磊、陈超婵、赵锐、沈涛、刘钊、金荣洪、康宁、袁岩兴、付子豪、黄承祖、闫旭红、朱建刚、缪轶、黄玉坪、

雷李华、杨嵩、耿军平。

I

GB/T35679—2017

固体材料微波频段使用波导装置的

电磁参数测量方法

1范围

本标准规定了在100MHz〜40GHz频率范围使用波导装置测量各向同性非旋磁固体材料的复相

对介电常数和复相对磁导率方法。

木标准适用于在100MHz〜40GHz频率范围使用波导装置对各向同性非旋磁固休材料的复相对

介电常数和复相对磁导率测量。对于无磁性的固体材料，本标准可单独测量固体材料的复相对介电

常数。

2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

GB/T9637-2001电工术语磁性材料与元件

GB/T11449.2波导法兰盘第2部分：普通矩形波导法兰盘规范

GB/T11450.2空心金属波导第2部分：普通矩形波导有关规范

3术语和定义

GB/T4365和GB/T9637-2001界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

旋磁效应gyromagneticeffect

在静磁场作用下的材料或介质的磁化强度经过扰动后，通过其基本磁偶极子绕该静磁场强度方向

的阻尼旋进运动，弛豫返回到平衡状态的效应。

[GB/T9637—2001,定义2.5中221-05-01

3.2

非旋磁固体材料non-gyromagneticsolidmaterials

不具有旋磁效应的固体材料。

3.3

复相对介电常数complexrelativepermittivity

复相对介电常数表示为：

Er=e；-je/=-£-（1）

€（）E

式中：

5复相对介电常数；

J实相对介电常数，复相对介电常数的实部；

1

GB/T35679—2017

E——介质损耗指数，复相对介电常数虚部的负值；

飾——真空介电常数，等于&85X10"F/m；

D——电位移矢量,单位为库仑每平方米（C/m2）;

E——电场强度矢量，单位为伏每米（V/m）。

注：固体材料的复相对介电常数由材料的分子极化特性、电荷移动特性等确定。本方法中针对的固体材料为各向

同性固体材料，因此每一个频率点的复相对介电常数为单一复数。在各向异性介质中，复相对介电常数为三维

空间张量。

3.4

复相对磁导率complexrelativemagneticpermeability

复相对磁导率表示为：

〃r=〃；一j〃'；=--T（2）

gH

式中：

“r复相对磁导率；

/A——实相对磁导率，复相对磁导率的实部；

/A——磁损耗指数,复相对磁导率虚部的负值；

g——真空磁导率，等于4kX10-7H/m；

B——磁感应强度矢量，单位为特斯拉（T）；

II一一磁场强度矢量，单位为安培每米（A/m）0

注：固体材料的复相对磁导率由材料的的磁力矩特性、磁化范围特性等确定。本方法中针对的固体材料为各向同

性的固体材料，因此每一个频率点的复相对磁导率为单一复数。在各向异性介质中，复相对磁导率为二维空间

张量。

4一般要求

4.1环境条件

环境条件如下：

a）温度：（23±5）°C；

b）相对湿度:<65%；

c）供电电源：（220±10）V,（50±l）Hz；

d）其他：周围无影响测量工作的电磁干扰和机械振动。

4.2测量设备

测量设备如下：

a）矢量网络分析仪：

1）频率范围：100MHz〜40GHz；

2）动态范围满足测量要求。

b）波导测量装置：

1）频率范围：100MHz〜40GHz（由一系列波导组成，见附录A）；

2）波导插入损耗:<0.1dB；

3）波导电压驻波比：£1.05。

2

GB/T35679—2017

O波导同轴转换器：

1）频率范围：1OOMHz~40GHz（由一系列波导同轴转换器组成，见附录A）；

2）波导同轴转换器驻波比：£1.25。

d）波导校准件：

1）频率范围：1OOMHz~40GHz；

2）校准件包括：开路器、短路器、负载、1/4波长偏移片、通过式连接器。

e）同轴电缆：

1）推荐选用矢量网络分析仪自带校准用特性阻抗50Q的稳幅稳相电缆，或选用特性阻抗

50Q稳幅稳相电缆；

2）相位稳定性:<±7°0

f）长度测量器具：

1）螺旋测微器最大允许误差：±0.001mm；

2）游标卡尺最大允许误差：±0.02mm；

3）其他长度测量器具最大允许误差：±0.1mm。

5S参数测量方法

5.1原理

测量原理见图1,将一个被测样品放置在波导测量装置内，波导装置两端通过波导同轴转换器连接

至经过校准的网络分析仪。分别测量Su、S21、®2、S22参数。选择合适的数据处理方法（见附录B）代

入S参数值计算复相对介电常数和复相对磁导率。

图1测量原理图

被测样品要求根据标准波导尺寸精密加工。如果被测样品装入波导测量装置后，被测样品边沿与

波导测量装置内壁存在缝隙吋，会引入的测量结果偏差，偏差的修正见附录C。

本方法一般选用矩形波导及适合于波导尺寸的样品，也可选用圆形波导及适合圆形波导尺寸的样

品，如果制作圆形样品有困难，优先选用矩形波导及适合矩形波导尺寸的样品。

当被测样品为非磁性材料吋，可选用单独计算复相对介电常数的方法。

5.2样品制备

样品制备应满足以下要求：

a）样品分为参考样品和被测样品，参考样品为已知电磁参数的样品，被测样品为需要获取电磁参

3

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数的样品，被测样品的局限性参见附录D；

b）样品应为材质结构均匀的样品；

c）样品为长方体类型，样品的宽度和高度与测试用标准波导口径尺寸一致见图2,加工公差要求

见表A.3；

样Ai

I和"

图2样品制备?B意图

d）样品的长度不能过长，应小于标准波导的深度，具体长度范围见表A.3；

e）样品长度方向引入的插入损耗不能过大，样品插入损耗分贝值应小于测量系统动态范围分贝

值至少20dBo

5.3矢量网络分析仪校准

矢量网络分析仪校准步骤如下：

a）将网络分析仪按照仪器说明要求预热；

b）按图3所示连接测试同轴电缆和波导同轴转换器;

图3网络分析仪校准连接示意图

c）设置矢量网络分析仪的起始频率、终止频率、测量频率点数、中频带宽、测量平均次数等，一般

要求网络分析仪设置中频带宽不大于30Hz,或测量平均次数不小于200次；

d）使用SOLT校准吋，在校准面A分别连接短路器、开路器、标准负载，在校准面B分别连接短

路器、开路器、标准负载，校准面A和校准面力直接连接，分别完成各项校准，最终完成所有

SOLT校准；

4

GB/T35679—2017

e）使用TRL校准时，在校准面A连接短路器，在校准面B连接短路器，在校准面A和校准面B之

间连接1/4波长偏移片,校准面A和校准面B直接连接，分别完成各项校准，最终完成所有TRL

校准。

5.4样品安装

样品安装步骤如下：

a）用螺旋测微仪或游标卡尺测量波导内壁高度久样品高度山和样品长度匚；

b）按照图4将样品从波导端口装入波导中，装入样品时应小心，避免样品损坏，装入后样品一侧

表面应与波导法兰平面齐平；

图4样品安装示意图

c)按照式（3）计算波导内壁和样品之间的空气间隙＜/：

d=b一bi(3)

式中：

d——波导和样品之间的空气间隙，单位为米（m）；

b——波导内壁高度，单位为米（m）；

bi被测样品高度，单位为米（m）。

d）装有被测样品的波导与波导同轴转换器连接，如图5所示。

图5设备连接示意图

5

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5.5参考样品电磁参数测量

参考样品电磁参数测量步骤如下：

a）选择一个已知电磁参数的样品作为参考样品，如聚苯乙烯或聚四氟乙烯，按5.2制备参考

样品；

b）按5.3进行矢量网络分析仪校准；

c）按5.4将参考样品装入波导装置中；

d）设置矢量网络分析仪的参数同5.3c）；

e）分别测量参考样品的Sn、S2i、Si2和S22参数。如果参考样品测量时间距矢量网络分析仪校准

吋间的间隔大于1h,应按照5.3对矢量网络分析仪重新进行校准，校准完成后对参考样品的

S11、$21、S12和S22参数进行测量;

f）根据测量的S,1.s21.s12和S22参数按照附录B计算参考样品的复相对介电常数、复相对磁

导率；

g）由f）得到的参考样品复相对介电常数、复相对磁导率和参考样品已知的复相对介电常数、复

相对磁导率比较，如果数值差异较大（如超过20%）,可能测量系统或测量过程存在问题。应

检查以下方面：波导装置的连接是否正确、连接用同轴电缆是否存在问题、S参数测量方法是

否有问题、电磁参数计算方法是否存在问题等。

5.6被测样品电磁参数测量

被测样品电磁参数测量步骤如下：

a）按5.2制备被测样品；

b）按5.3进行矢量网络分析仪校准；

c）按5.4将被测样品放入测量装置屮；

d）设置矢量网络分析仪的参数同5.3c）；

e）测量被测样品的S.、S2i、Si2和S22参数。如果被测样品测量时间距矢量网络分析仪校准吋间

的间隔大于1h,应按照b）对矢量网络分析仪重新进行校准,校准完成后测量被测样品的S.、

S21、S12和S22参数;

0根据测量的stl,S21、S12和S22参数按照附录B计算被测样品的复相对介电常数和复相对磁导

率（复相对介电常数和复相对磁导率不确定度来源参见附录E）。

6电磁参数的计算

6.1传输反射计算法

根据矢量网络分析仪测量得到的Sn、S21,直接计算被测样品复相对介电常数和复相对磁导率，计

算步骤见的B.1。

注：传输反射计算方法为NicholsonandRossandWeir计算方法，简称NRW计算方法。

6.2简化传输反射计算法

当已知被测样品为非磁性材料，此吋:冷=1,可采用简化传输反射计算法计算被测样品复相对介电

常数，计算步骤见B.2。

6.3迭代四参数计算法

迭代四参数计算方法是在选定频率点上设定被测样品的复介相对电常数和复相对磁导率初始值,

6

GB/T35679—2017

根据被测样品S参数测量值，通过迭代的算法得到被测样品的复相对介电常数和复相对磁导率最终

值。计算步骤见B.3。

6.4迭代单参数计算法

当认为被测样品是非磁性样品且较易估计复相对介电常数吋，可采用迭代单参数法计算复相对介

电常数。迭代单参数计算方法是在选定频率点上设定被测样品的复相对介电常数初始值，根据被测样

品S参数测量值,通过迭代的算法得到被测样品的复相对介电常数最终值。计算步骤见B.4。

6.5电磁参数计算方法比较

电磁参数四种计算方法见表lo

表1电磁参数四种计算方法比较

计算方法S参数计算参数特点

要求被测样品在波导中准确定位放置，不需要被测样品

传输反射计算法Sil、S2€r、“r

电磁参数预估值

适用于非磁性材料,要求被测样品在波导中准确定位放

简化传输反射计算法Sil、S2er

置，不需要被测样品电磁参数预估值

需要先设定比较准确的被测样品电磁参数值，不要求被

迭代四参数计算法Sil、S2、S12、S22£r、“r

测样品在波导中准确定位放置

适用于非磁性材料，需要先设定比较准确的被测样品电

S2

迭代单参数计算法er

磁参数值，不要求被测样品在波导中准确定位放置

7

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附录A

（规