天线罩电厚度精密测量的关键技术(6)

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以下规律，待测材料介电常数越小，损耗越小，则高次模的影响越大，而高次模的影响随频率的变化并不是严格单调的，但总的来讲，频率越低，影响越大[31];

b、从3.3.1.1结果可以看出开口同轴探头的主模反射系数是随所考虑的高次模个数的增加而收敛的，因此，理论上讲，只要取足够多的高次模就可以控制由于忽略更高次的模式而引起的主模反射系数计算值的误差。

3.4 开口同轴探头设计

一个典型的同轴探头测量系统应包含同轴传感器(探头)、反射计以及外部处理设备，由于对于反射计(如网络分析仪与定向耦合器构成的系统)和外部处理设备（网络分析仪与计算机部分）而言，通常都选用现有的商用产品，因此，在实际测量系统中，同轴探头的设计就成为建立系统成功与否的最关键环节。本节将对实际使用的同轴探头设计所需要注意的问题进行讨论。

同轴探头的设计应分为同轴传输线和法兰设计两个部分。而法兰设计中最关键的问题就是如何选择尺寸，使其符合理论无穷大的假设;而同轴线尺寸的设计则必须注意能够与标准接头连接，便于应用。 3.4.1 同轴传输线设计

虽然理论上讲，我们可以取任意尺寸的同轴线来构成探头，但实际上，为了避免不必要的麻烦，应注意以下几点:l、在应用的频段内，应截止高次模;2、综合考虑传输损耗和功率容量，适当选择阻抗;3、为了能与标准接头连接，特别是能够利用标准的校准件进行校准，同轴传输线尺寸的选择应尽量同标准接头相匹配，表3.1给出的微波频段部分常用标准接头尺寸。针对以上三点要求，我们发现，只要根据测试频率，适当选用表2.1中给出的尺寸设计标准同轴传输线，则完全可以适应上述要求，特别是不必担心测量中的一个关键难题—校准，因为我们完全可以应用(Agilnet公司)商用校准件完成这一步骤。因此，在本文的研究中，仅限于标准尺寸的探头[15,16]。

表3.1 微波频段部分常用接头特性

3.4.2 法兰设计—开口同轴探头近场分析

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第三章 终端开路传输线理论和应用

在前面的推导中，是假设同轴探头的法兰、待测样品(以及短路板)为无穷大的。但在实际情况下，上述条件是不可能绝对满足的，因此就有必要研究，在工程应用中，取多大的法兰、样品和短路板可以近似认为是无穷大的。由于通常情况下要获得较大的短路板和待测样品都是可以满足的，因而，本节中的研究重点是同轴法兰尺寸的选取。于有限法兰、样品、短路板尺寸的研究必须借助于数值计算方法，非常复杂，文献[16]中已利用FDTD法对单层短路高损耗样品测试中法兰的尺寸与反射系数的测量误差之间的关系做了研究，并得出结论:

Rf?b?3?g (3.46) 其中，Rf为法兰半径，b为同轴线外径，?g为介质中的波长时，可满足法兰无穷大的假设。

3.4.2.1开口同轴探头辐射近场分析

由3.3节的分析可知，同轴探头的辐射场为与Φ向无关的二维场，为了研究方便我们把它分解成TM模+TE模的形式，进一步假设同轴线中只存在主模TEM模，由于辐射场中的TE模分量仅与同轴线中的TE0j高次模有关，因此，在准静态的假设下，同轴探头的辐射场仅为TM场。 样品介质中的空域电磁场可以表示为

?????1??TEM0E???b2?lna??0TM[exp(??sTMz)??TMsexp(?sz)][J0(?a)?J0(?b)]J1(??)?d?

1??TMs

（3.47）

?????1??TEM0H???b2?lna??0YTMTM[exp(??sTMz)??TMsexp(?sz)][J0(?a)?J0(?b)]J1(??)?d? TM1??s

（3.48）

利用公式

?J1(??)J(??)??J0(??)?1 （3.49） ???可以得到

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?????????????H?1???11??H?1Dz??[?H?]j??0?R???j??0?R??? ?1??TEM?[exp(??TMz)??TMexp(?TMz)][J(?a)?J(?b)]?0sss00??z?J1(??)?d??1??TM?sb0s2?lna（3.50）

TM其中，?TEM为同轴探头开口处的主模电压反射系数，?s和YTM为样品中的谱域0场传播常数和TM波的谱域波阻抗。

通过数值分析[15,16]我们可以得到：无论是径向场Eρ还是轴向场Dz都在延径向单调衰减;而在轴(z)向上，由于法兰盘、短路板、材料的损耗以及多层介质之间的不连续都会对场在z向上的分布产生影响，因此情况比较复杂。如图所示结果，边界条件对电磁场分布的影响较明显，Dz在有金属板处最大，而Eρ则最小。

图3.3 同轴电场径向与纵向的分布

通常我们可以根据TM01模的场表达式来分析高次模的衰减情况,从TM01模场公式看出TM01场强受贝瑟尔函数影响。TM01模场表达式可以查找文献[17]。 3.4.2.2 开口同轴探头法兰尺寸设计讨论

下表引用文献[15]中对不同尺寸同轴探头中的径向和轴向辐射电场衰减比较情况，可以看出，第二种法兰的设计在横向上电场衰减程度大于第一种法兰的设计，而纵向上衰减仍然较小。因此为了尽可能地获得满意的电磁参数测量结果，只要选取合适厚度的介质板样品测量即可。

表3.2 不同尺寸法兰对电场影响

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第三章 终端开路传输线理论和应用

3.5 本章小结

本章主要对开口同轴探头测量中有关电磁建模，及探头设计等问题作了较深入的探讨。具体分析了开口同轴线横向辐射场与反射系数之间的计算关系。在讨论探头设计中着重分析了法兰盘的尺寸设计思路及探头近场分布情况。并获得了影响测量探头测试结果质量的因素情况，为后续仿真与测试工作垫定了理论支持。

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第四章 测量仪器——定向耦合器与矢量网络分析仪

4.1 定向耦合器概述

4.1.1定向耦合器的简介

定向耦合器是一种无源器件, 其种类通常有单定向耦合器和双定向耦合器以及同轴型定向耦合器和波导型定向耦合器之分。典型的单定向耦合器示意图如图4.1所示。

图4.1 定向耦合器简化模型

定向耦合器的技术指标除了频率使用范围(HP779D的频率范围为1.7～

12.4GHz) 外, 主要有耦合度、方向性、插损和驻波系数,以及可承受功率等,评价一耦合器性能的优劣也主要看这几方面。耦合度是指输入信号耦合到副臂端的程度, 即当主臂终端接无反射匹配负载时, 入射信号与输出信号(副臂)之比取对数之值。常用的耦合器其耦合度有6 dB、10 dB、20dB,耦合精度一般为±0.5～2.0dB。HP779D的耦合度为20dB, 耦合精度为±0.5dB。方向性是指从匹配负载端往输出端漏出信号的程度,也就是正向耦合度与反向耦合度的对数之差。一般来讲, 方向性越大越好, 方向性越大,表明其隔离性越好。常用的定向耦合器,方向性均在15dB以上。HP779D 的方向性在1.7～4.0GHz频段大于32 dB,4.0～12.4GHz频段大于26dB,其隔离性能颇佳。定向耦合器的插损一般都较小, 如HP779D 的插损在全频段内<0.6dB, 所以对测试结果的影响很小, 有时甚至可以忽略不计。定向耦合器的驻波系数一般不大, 国产定向耦合器在约在1.5左右, 而HP779D主臂及副臂的驻波系数在全频段1.7～12.4GHz 内均小于1.2, 完全满足匹配要求。定向耦合器能承受的功率一般都较大, 如HP779D 及其系列定向耦合器, 其主线输入功率最大可达: 平均功率50W,峰值功500W ,这是一般类似器件难以达到的[18,19,20]。

4.1.2定向耦合器在微波网络中测量反射参数的应用

在微波传输系统中, 为了保证传输效率, 减小传输损耗, 通常都尽量使负

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