食盐水标准溶液在组织模拟液介电特性测量中的应用*

尹洪雁 刘宇军 张 康 武 彤

(1.北京出入境检验检疫局检验检疫技术中心，北京 100026；2.中国计量科学研究院，北京 100029)



食盐水标准溶液在组织模拟液介电特性测量中的应用*

尹洪雁1刘宇军1张 康2武 彤2

(1.北京出入境检验检疫局检验检疫技术中心，北京 100026；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

介绍了食盐水标准溶液在测量液体复介电常数接触探头法标定过程及其测量能力验证方面的应用。在探头标定中，以食盐水标准溶液替代短路块，作为二端口微波网络去嵌入所需参考负载。分别通过三种不同浓度食盐水标准被测液和900MHz头部组织模拟液对该方法测量能力进行了验证，测量数据与参考值一致性均优于5%，能够满足比吸收率测试用组织模拟液介电特性验证的需求。

接触探头法；组织模拟液；比吸收率

0 引言

在评估人体所受以手持和身体佩戴方式使用的无线设备产生的电磁辐射暴露量(比吸收率)测试中，常使用组织模拟液填充的假人模型。组织模拟液是实验耗材，成分主要是电解质或有机溶质水溶液，在比吸收率测试实验前，均需测量和验证其在目标频点的相对介电常数和电导率，例如，国标GB/T 28446.1-2012/IEC 62209-1:2005规范了用以模拟头部组织的液液介电特性参考值，并推荐了在射频微波频段测量液体复介电常数常用到的接触探头法[1]。该方法通过反射系数测量数据得出复介电常数。为了将反射系数测量值修正为真正的探头反射系数，需要用二端口微波网络去嵌入法消除连接探头和矢量网络分析仪端口的同轴传输线影响。在上述标定探头过程中，去嵌入法三个参考负载通常选择空气(即探头开路)、去离子水和短路块。由于短路块和同轴开口端表面都不可避免存在氧化，因此，在每个测量频点上，都需要验证短路块以机械接触方式实现探头开口内外导体短路功能的有效性，但该确认环节给操作员增加了不少重复操作。食盐水标准溶液复介电常数频率特性经过不同研究者和机构的大量工作，得出了各种拟合色散参数的弛豫表达式，因此，食盐水标准溶液既可作为参考液体，也可作为标准被测液。本文将已知浓度的食盐水标准溶液用于探头标定过程，以其替代短路块，当作三个参考负载之一。为了考核与验证接触探头法的测量能力，又可使用不同浓度的食盐水标准溶液作为标准被测液，完成相对介电常数和电导率测量值的验证。

1 接触探头法及其标定过程

图1是接触探头法测量液体复介电常数实验装置的示意原理图。同轴线一端开口且外导体带有法兰。在测量实验中，被测液浸没探头，与法兰开口面充分接触。探头另一端连接矢量网络分析仪同轴端口，完成反射系数S11的测量与记录。

图1 接触探头法测量液体复介电常数实验装置

探头输入导纳的计算公式已在GB/T 28446.1-2012/IEC 62209-1:2005资料性附录J“液体介电特性的测量和不确定度的评估”[1]中给出如下：

(1)

探头的输入导纳和网络分析仪记录的S11数据不是直接对应的，这是由于同轴传输线的不连续性造成的，例如，同轴转接头的使用，线束弯曲，传输延迟、色散等各种因素。可以事先通过探头测量三种复介电常数已知的参考负载，例如，空气(即探头开路)、去离子水、已知浓度食盐水标准溶液，采用二端口网络三参考负载去嵌入的办法，能够得出同轴传输线二端口网络待定S参数。在标定基础上，根据探头测量被测液的S11数据记录即可得出被测液的输入导纳Y。

上述标定过程中，食盐水标准溶液介电特性取决于浓度、温度和电波频率，其复介电常数数据参见液体复介电常数弛豫表达式的各类研究工作，例如Klein-Swift公式[2]和Wentz公式[3]。目前，广泛使用的食盐水复介电常数频域表达式，主要包含静态相对介电常数(εs)、高频渐进相对介电常数(ε∞)、弛豫时间(t )，以及离子电导率(σi)等色散参数，作为频率f的函数形式如下

(2)

式中，a =0,β=1称作Debye表达式，a =0,0<β<1称作Cole-Davidson表达式。各个色散参数均受浓度和温度影响，且与频率f无关，拟合数据详见有关文献[2-3]，本文从略。

2 实验测量结果与探讨

分别以食盐水稀溶液和900MHz头部组织模拟液作为典型被测液，使用同轴线(外导体内径1.6mm、内导体半径0.375mm)探头测量介电特性。标定过程用到的三个参考负载分别是开路、去离子水和食盐水标准溶液。短路块不再用作参考负载。

2.1 验证食盐水稀溶液的复介电常数频率特性

以浓度10‰，15‰和20‰食盐水稀溶液作为标准被测液，考察0.3～4.5GHz频段相对介电常数和电导率特性测量数据。为了对比，分别将浓度35‰和70‰食盐水标准溶液用于探头标定过程，食盐水标准溶液复介电常数特性值使用Wentz公式给出数据。液体和环境温度在测量前后保持23oC。去离子水、食盐水标准溶液以及被测液均使用36mm口径25mL刻度容量的烧杯盛装。

图2中，测量数据与Wentz公式给出的参考值进行比对。Wentz公式是Cole-Davidson表达式，图中同时提供了Klein-Swift公式给出的另一组参考值作为横向比较。与Wentz公式不同，Klein-Swift公式是Debye表达式，从实验数据拟合弛豫参数的过程相对简化。在0.3～4.5GHz整个频段上，两组介电特性测量数据与两组参考值在整体上吻合良好。另一方面，虽然在探头标定过程使用的食盐水标准溶液浓度不同，但两组测量数据相互间一致性较好。在整个频段上，从图2可观察到电导率测量结果与参考值都有较好的一致性，对于相对介电常数，当频率高于1GHz时，三种不同浓度被测食盐水稀溶液的测量数据同参考值一致性很好；相对而言，在低于1GHz的频率点上测量结果偏离参考值较明显，在工作频率向0.3GHz频点降低的过程中偏差逐渐增大，但不超过5%。这一现象的主要原因是在测量频段低端探头孔径的电尺寸过小造成测量灵敏度变差，但通过换用孔径尺寸较大的探头即可优化低频测量结果。

图2 食盐水标准溶液介电特性测量结果

2.2 测量比吸收率测试用组织模拟液的介电特性值

为了考察测量结果重复性，以实验室制备900MHz头部组织模拟液为例，在液体和环境温度保持22℃条件下使用探头进行多次测量。在标定中，食盐水标准溶液浓度为35‰，复介电常数特性值用Wentz公式给出。该头部组织模拟液的主要成分是加入少量氯化钠的蔗糖水溶液[4]，在22℃时，900MHz频点相对介电常数指定值为41.2，电导率指定值为0.98S/m。制备组织模拟液的配方纯度、称重和制备环节等对介电特性引起的偏差认为可忽略不计。在2014年6月份18个工作日里每天取适量样品，测量900MHz频点相对介电常数和电导率，数据记录如表1所示。对相对介电常数、电导率测量数据的线性回归拟合斜率作t检验[5]，取0.95置信水平，样本数目n=18，t值分别为-0.5888和0.2903，绝对值均小于t因子t0.95,n-1(2.12)，该统计结果表明相对介电常数、电导率测量数据都具有很好的一致性。相对介电常数、电导率测量结果平均值分别是41.8996和0.9806S/m，平均值的标准不确定度(k=2)分别是0.7499和0.0193S/m，表明了在接触探头法标定过程中使用食盐水标准溶液，可以使得测量数据达到准确度优于5%，满足比吸收率测试用组织模拟液介电特性验证要求。

表1 接触探头法测量900MHz头部组织模拟液重复性数据

为了进一步考核食盐水标准溶液在探头标定中的应用，本联合实验室(北京出入境检验检疫局机电产品检测中心(CQC-TS)和中国计量科学研究院(NIM))用制备的900MHz头部组织模拟液作为被测液体，组织开展了实验室间比对。参与实验室是工信部通信计量中心(TMC)和国家无线电监测中心检测中心(SRTC)。同一制备批次样品在三家实验室分别进行了测量，液体和环境温度为22℃。在标定中，本实验室以食盐水标准溶液作参考负载，而参与实验室均使用短路块作参考负载。表2列出的数据表明了三家实验室测量结果的一致性。因此，以食盐水标准溶液代替短路块作为探头标定过程参考负载，具备了可靠性和实用性。

表2 测量900MHz头部组织模拟液实验室间比对数据

3 结论

本文探讨了将食盐水标准溶液分别作为标定用参考液体和标准被测液，用于测量液体复介电常数接触探头法的标定以及测量能力的验证。以外导体内径1.6mm，内导体半径0.375mm的探头进行了实验。在实验中，选择了开路、去离子水和已知浓度食盐水标准溶液作为标定探头所使用的三个参考负载。测量结果表明，分别以浓度10‰、15‰、20‰食盐水稀溶液作为标准被测液，在0.6～4.5GHz频段相对介电常数和电导率测量数据与参考值的偏离均低于5%；同时，验证了两种不同浓度(35‰和70‰)食盐水标准溶液分别用于探头标定过程得到的测量结果的一致性。进一步以实验室制备900MHz头部组织模拟液为例，开展了测量重复性考核以及实验室间比对，获得了较好的测量数据。综上所述，以食盐水标准溶液替代短路块的标定办法将能够在比吸收率测试用组织模拟液介电特性接触探头法测量中得到很好的应用。

[1] GB/T 28446.1—2012/IEC 62209-1:2005《手持和身体佩戴使用的无线通信设备对人体的电磁照射人体模型、仪器和规程 第1部分：靠近耳边使用的手持式无线通信设备的SAR评估规程(频率范围300MHz～3GHz)》

[2] L. A. Klein and C. T.Swift, “An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-25, no. 1, pp. 104-111, Jan. 1977.

[3] F. J. Wentz, AMSR Ocean Algorithm ATDB, RSS Tech. Report 120296, 1996, Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA.

[4] IEEE std 1528-2003, IEEE Recommended Practice for Determining the Peak Spatial-Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Head from Wireless Communications Devices: Measurement Techniques

[5] John A. Rice, Mathematical Statistics and Data Analysis, Third Edition, Duxbury Advanced, 2006

*国家质检公益项目(201410050)；国家质检总局科技计划项目(2013IK307)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.03