基于复反射系数法的介质结构功能厚度测量技术研究

柴永伟　王克先　刘尚吉

摘 要

控制介质结构功能件的电厚度是保证其电性能的重要技术手段。文中分析了复反射系数的测试原理及其与电厚度的关系，并据此研究设计了一套基于复反射系数法的单探头反射法电厚度测试系统。经过对介质平板的复反射系数测试结果分析及验证，该系统能够对介质结构功能件的电厚度分布进行检测。

关键词

电厚度;复反射系数;介质结构

中图分类号： TN820                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.015

0 引言

本文基于矢量网络分析仪的复反射系数测试功能，研究设计了一套单探头介质平板反射法电厚度测试系统，利用该系统对介质平板的复反射系数进行测试，并对测试结果进行比对分析，验证了该方法在工程上的可行性。

1 电厚度測量的基本原理

1.1 相位延迟

电厚度是指平面电磁波仅一次通过一种具有一定厚度的均匀无损耗电介质层的相移量，其公式为：

式中：

Ф——电介质层的相移量，单位°;

d——均匀介质的物理厚度，单位mm;

λ——电磁波波长，单位mm;

εr——均匀介质的相对介电常数;

θ——入射角，单位°。

当电磁波垂直入射时，得到此时的电厚度公式为：

1.2 复反射系数与电厚度的关系

将物理厚度为d的介质平板的一面紧贴金属短路层，将天线探头放置在介质平板的另一面进行复反射系数测试。图1所示为复反射系数测量原理图。则此时探头处的复反射系数Γ可用等效传输线法求出[1]，其值为：

从公式（2）、（3）和公式（4）中可以看出，公式（3）中正好包含电厚度的公式（2）。这说明复反射系数和电厚度有着密切的关系，通过改变介质平板的物理厚度，使反射系数发生变化，从而达到控制介质平板电厚度分布的目的。

对于一个给定的均匀介质平板，通过对公式（3）的分析可知，当测试波长保持不变时，影响复反射系数和电厚度的参数，只有介质平板物理厚度和介质平板的相对介电常数。复反射系数与电厚度之间具备一一对应关系，当介质平板的电厚度偏离设计要求时，其复反射系数的值会偏离固定的范围。

当介质平板的相对介电常数满足设计要求，但电厚度值不在设计值范围内时，通过对介质平板进行打磨或贴补，使介质平板的物理厚度在一定范围内发生变化，可改变复反射系数的值，从而使介质平板电厚度达到设计值范围内。当介质平板的物理厚度满足设计要求，但电厚度值不符合设计范围时，此时影响介质平板电厚度的因素只有相对介电常数。但相对介电常数没法通过物理修复手段改变，只有通过微调介质平板物理厚度抵消相对介电常数变化所带来的影响，保证复反射系数符合设计范围，从而基本保证电厚度值在设计范围内。这就是电厚度微波反射测量的基本原理。

2 单探头反射法电厚度测试系统

单探头反射法电厚度测试系统主要由矢量网络分析仪、稳相电缆、波导转接器、天线探头以及校正金属平板组成，图2所示为单探头反射法电厚度测试系统。矢量网络分析仪功能强大，能够测量电磁波的复反射系数。它测量稳定性好，能提供稳定的频率信号，并且精度高，工作频带宽，不仅能点频测试，而且还能够扫频测试[2-3]。稳相电缆作为柔软射频连接馈线，具有低损耗、高相位稳定性及高功率等电性能特点，防止测试的时候因电缆位置的移动弯曲造成测试数据误差问题。天线探头用于发射和接收电磁波，其体积小，结构简单，同时便于手持测量，使用灵活。

3 复反射系数测试及分析

3.1 复反射系数随厚度变化

为验证该测量方法的可行性，用单探头反射法测试系统对一实心介质平板进行了测试。将金属板分成不同的区域，采用在不同区域加贴不同层数玻璃纤维预浸布的方法改变介质板的厚度，用不同的频率去测试复反射系数。玻璃纤维预浸布的厚度为0.2mm，测量频率点为9.0GHz、9.5GHz、10.0GHz。测试前，将天线探头放置在金属板上进行校准，校准后，此时复反射系数显示0°。复反射系数测量结果如图3所示。

从图3可以看出，测得的复反射系数相位在不同的频率下，随着铺层厚度的增加，呈现出单调线性变化的趋势，这证明了单探头反射法电厚度测试系统的可行性。

3.2 介质平板的测试及校正

为验证该测试方法在工程上的可行性，对某一实心介质平板用以上方法进行验证测试。该介质平板的电性能测试结果表明部分扫描角的电性能指标不能满足设计要求。为了找到该介质平板制造缺陷的具体位置并进行修复，我们对该介质平板进行复反射系数测试。首先，在介质平板一面贴上铝箔，作为反射面。其次，在介质平板另一面，我们根据测试单元测试面积的大小，将介质平板划分成若干个测试点。测试时，选取矢量网络分析仪的复反射系数测试功能，并将频率设置成10GHz。将测试天线的探头放置在金属板上进行校正设置，校正设置完后，此时复反射系数显示0°。然后将探头放置在介质平板的测试点上，按顺序依次测量，并从矢量网络分析仪上读取数据，并记录数据。该介质平板根据设计要求，会有一个标准值，取该标准值的±1°范围作为该介质平板的设计公差。将测试后的复反射系数数据与设计的公差比较，发现在介质平板的多处区域，其测试的数值的不在公差范围内，有的低于公差下限，有的高于公差上限。经理论分析，低于公差下限的区域偏厚，需要打磨减少壁厚，高于公差上限的区域偏薄，需要贴补增加壁厚。将复反射系数的偏差值与物理厚度进行转化，计算该区域的打磨或贴补的量值，并进行打磨或贴补。打磨、贴补校正前后，对介质平板进行复反射系数测试的结果如图4所示。

从图4可知，经过对超差区域的罩壁打磨或贴补后，其超差区域的复反射系数测试值已经在公差范围内。对介质平板重新进行电性能测试，其电性能测试结果得到改善，满足了设计要求。

通过该系统对介质平板的校正实例应用，证明了单探头反射法电厚度测试系统在工程应用的可行性。

4 结论

根据矢量网络分析仪的复反射系数测试功能，研究设计的单探头反射法电厚度测试系统具有重要的工程应用价值，为高电性能介质结构功能件的制造提供了一种过程质量保证手段。

参考文献

[1]唐汉.微波原理.南京：南京大学出版社，1990.

[2]Hore C A.The six-port coupler：a new approach tomeasuringvoltage，current，power，impedanceandphase. IEEE Trans IM，1972，21：466～470

[3]汤世贤.微波测量.北京：国防工业出版社，1981.