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方用测试网总经理叶伟斌先生谈微波测量技术推进材料科学新应用的发展 


随着科技的发展,材料的应用和研发受到普遍关注,材料的测试技术和方法也成为热门话题。根据被测材料本身的性质,以及形状、尺寸等不同,对应的测试技术和方法也有所不同。先进的测试技术不仅为研究材料提供宝贵数据,还能够改进材料研究的方法,帮助材料研究不断向前深入。常用的材料测试方法可以分为平行电极法(Parallel Plate)、同轴探头法(Coaxial Probe)、传输线法(Transmission Line)、自由空间法(Free-Space)、谐振腔体法(Resonant Cavity)。此外还有更复杂的方法,需要根据被测物的情况而制定。


材料测试应用涉及到的行业很广,包括电子、航空航天、工业、食品、安全、医疗、林业、矿业等等,都和材料测试息息相关。


在国防领域中,典型的应用有吸波材料的研究,要求材料能够对光、声、电等信号进行隐身。针对射频微波信号的隐身,需要保证宽频段,轻重量,耐腐蚀等各类要求,对材料研究提出了挑战;在电子通信中的应用,材料测试可以研究电磁辐射对人体的影响,主要的指标有SAR参数(SAR:SpecificAbsorption Rate);另外,材料测量也拓展到了医学研究领域,如利用微波测量方法,研究恶性细胞和良性细胞的差异性。


材料测量包含的参数,有材料的复介电常数、损耗正切、导磁率,正是利用这些参数,我们才能清楚的了解每种材料的电性能。

材料测试的手段,简单的可以理解为,由测试设备向材料输出微波信号,再测试该材料对微波信号的响应,测试设备提取响应信号,得到S参数,即散射参数,通过计算,得出介电常数、磁导率,对照材料参数模型,能够了解材料本身的多方面特征。


如何选择最佳的材料测量方法呢?

每种材料,根据其原材料的状态以及形态,需要选择合适的测试方法。

首先,根据材料的不同应用,确定测试的频率范围。比如,现在比较热门的城市内5G信号的覆盖问题,需要考虑城市建筑对5G信号的传播影响,按照5G通信的频率范围来确认测试混凝土的频率范围。测量技术本身也是随着材料技术的发展而不断改进。


其次,就是要了解材料所需的测量精度,是做科研用途还是生产用途,如果是科研用,用空气线法,精度大概是2%,如果是生产用途,为了研究方便,用同轴探头法,精度范围大概3%~5%。


另外,也要根据材料本身的属性考虑,比如超材料,有的人测量出的介电常数是负的,但是因为它是超材料,有其特殊性,虽然明显违反常识,但也不能就因此判断这个测量结果的对错,还需要验证。所以,测量方法的本身也要随着材料研究的变化加以改进。


还有,样品的尺寸和质量多少,也是选择测量方法的客观因素。样品原材料本身数量少,比较贵重,也是选择测量方法重要因素之一。


材料测试仪器,根据频率范围的不同,可分为两大类,即阻抗分析仪和网络分析仪。频率范围在1G以下的,一般用阻抗分析仪,频率范围在1G以上的,一般用网络分析仪。


另外一种分类方法是根据被测试材料的形态和参数,测试方法分为探头法、传输线法、谐振腔法、自由空间法、平行板法。液体形态和粉末的材料,采用探头法,即用探头探入到材料内部,得到反射信号,从而计算出介电常数;粉末状的材料,也可以加工成固体,固定在夹具上,再采用传输线法测量,这也是最常用的测量方法。但是传输线法对需要测试的材料本身有一定的要求,比如陶瓷,要加工成圆环状,加工过程比较困难;比如石墨烯材料,要制备成圆环状,还需要压制模具。另外,传输线法的介电损耗最低能够测到0.01%,如果介电损耗低于0.01%,需要用谐振器腔法;针对材料高温特性的测试,可以用非接触的方法测量,即自由空间法;针对材料低温特性的测试,需要采用定制的低温环境的测试方法。以上的测试方法中使用的测量仪表和测试夹具,都比较复杂,并且影响测试精度。


另外,如果是薄膜或平板状样品,可以用平行电极法,比如塑料或冰箱按键面板,就采用这种方法测量;用于物联网领域的天线基板,采用是德科技的16451B测试夹具,利用阻抗分析仪,测试材料的介电常数。这类夹具的平行度的调试极其困难,需要采用电容值来衡量。


磁性材料的磁导率测量,可以通过测试材料的电感参数计算就得出。


材料参数的测试测量,需要用到多种设备仪器,其中经常使用的仪器是网络分析仪。网络分析仪将射频微波信号入射到材料中,由仪表测试经过材料后的反射或传输信号,S参数包括传输参数和反射参数。


探头法测试固体材料时,是用探头直接压到固体表面,例如木材、水泥块等,直接测量S参数,从而计算出介电常数。探头法需要注意的误差来源有多种因素,在校准探头时,探头有水汽,或者测量液体时,探头埋入液体有气泡,这些都是误差的来源。所以,在测试时需要注意多种因素,任何细节没有注意到,都有可能产生测试误差。探头法测量的应用范围也比较广,例如在国外有测量西瓜、牛奶的先例。


采用传输线法测试材料时: 要求样品填满夹具的截面,尽量减少样品和夹具之间缝隙,而且样品表面光滑平整。测量后得到相应的微波参数,根据相应的算法,得到材料参数。最常用的算法就是Nicolson-Ross算法。此方法的特点是带宽宽,可以测试介电常数和磁导率。但测量低损耗材料时,精度有限。测试微波频段时,可以用波导来测量。传输线法需要注意的误差来源,有样品形状和仪表的系统误差等。


自由空间法,要求是同性材料。此种方法特点: 不用接触被测试材料, 非破坏性,适合于高温测试,也可以测量磁性物质,测试频率受限于实际样品尺寸。自由空间法的误差来源,有样品本身,样品和天线没对齐,所处的测量环境存在其他干扰。


测试低损耗材料,可以采用谐振腔法,分裂圆柱法 (Split Cylinder)、 分离介质谐振器 (Split PostDielectric Resonator) 法、 ASTM D252010 腔体微扰 (Cavity Perturbation) 法。


综上,利用探头法、传输线法、自由空间法、谐振腔法、平行电极法,能够满足现在对大部分材料的测试测量,根据材料的发展,测试测量方法也在不断的改进。