GB/T 42741-2023 固体材料使用自由空间法的电磁参数测量方法

　　ICS 17 . 240 CCS K 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42741—2023

　　固体材料使用自 由空间法的

　　电磁参数测量方法

　　Measuring method for electromagnetic parameters of solid

　　materials using air-freespace

　　2023-05-23 发布 2023-12-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42741—2023

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 缩略语 2

　　5 一般要求 2

　　5 . 1 环境条件 2

　　5 . 2 测试样品要求 2

　　5 . 3 测量设备 3

　　6 测量方法 4

　　6 . 1 原理 4

　　6 . 2 电磁参数的计算 4

　　6 . 3 多值问题解决 5

　　6 . 4 电磁参数测量 5

　　6 . 5 测量步骤 6

　　7 试验报告 7

　　附录 A (资料性) 自 由空间法数据记录表格 8

　　参考文献 9

　　I

　　GB/T 42741—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国电器工业协会提出 。

　　本文件由全国电磁屏蔽材料标准化技术委员会(SAC/TC323)归口 。

　　本文件起草单位:青岛兴仪电子设备有限责任公司 、上海市计量测试技术研究院 、中电科思仪科技股份有限公司 、安徽师范大学 、中国计量科学研究院 、美信新材料股份有限公司 、哈尔滨工业大学 、中科锐金(山东)钛业科技有限公司 、中国科学院金属研究所 、电子科技大学 、江苏省计量科学研究院 、北京无线电计量测试研究所 、中国电子科技集团公司第四十一研究所 。

　　本文件主要起草人:年夫顺 、郭荣斌 、王亚海 、董继刚 、赵锐 、蔡青 、邹翘 、陈超婵 、江子奇 、陈长乐 、吴杰 、刘小明 、朱建刚 、黄攀 、马嵩 、柏春光 、陆振刚 、陈维斌 、李恩 、赵品彰 、韩玉峰 、陆福敏 、徐浩 。

　　Ⅲ

　　GB/T 42741—2023

　　固体材料使用自 由空间法的

　　电磁参数测量方法

　　1 范围

　　本文件描述了在 2 GHz~110 GHz频率范围使用自由空间法测量固体材料电磁参数的一般要求及测量方法 。

　　本文件适用于使用自由空间法对均匀 、各向同性的固体材料的复相对介电常数 、复相对磁导率等参数的测量 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;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/T 2900. 74—2008 电工术语 电路理论

　　GB/T 4365 电工术语 电磁兼容

　　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

　　3 术语和定义

　　GB/T 2900. 74—2008 、GB/T 4365 、GB/T 35679—2017 界 定 的 以 及 下 列 术 语 和 定 义 适 用 于 本文件 。

　　3.1

　　复相对介电常数 complex relative permittivity

　　ε r

　　通过公式(1)计算:

　　……………………( 1 )

　　式中:

　　j — 虚数符号 ;

　　ε r — 复相对介电常数 ;

　　ε r(I) — 复相对介电常数的实部 ;

　　ε — 复相对介电常数的虚部 ;

　　ε 0 — 真空介电常数 , 约等于 8. 85×10 —12 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 1 : 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 。

　　1

　　GB/T 42741—2023

　　注 2 : 各向同性是指电磁特性的各向同性 。

　　[来源: GB/T 35679—2017 , 3 . 3 , 有修改] 3.2

　　复相对磁导率 complex relative magnetic permeability

　　μ r

　　通过公式(2)计算:

　　……………………( 2 )

　　式中:

　　j — 虚数符号 ;

　　μ r — 复相对磁导率 ;

　　μ r(I) — 复相对磁导率的实部 ;

　　μ r(Ⅱ) — 复相对磁导率的虚部 ;

　　μ 0 — 真空磁导率 , 等于 4π×10 —7 H/m ;

　　—→

　　—→

　　B — 磁感应强度矢量 , 单位为特斯拉(T) ;

　　H — 磁场强度矢量 , 单位为安培每米(A/m) 。

　　注 : 固体材料的复相对磁导率由材料的磁力矩特性 、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 , 复相对磁导率为三维空间张量 。

　　[来源: GB/T 35679—2017 , 3 . 4 , 有修改] 3.3

　　散射参数 scattering parameter

　　sij

　　散射矩阵的元素 。

　　注 : 散射参数是复反射因子或波传输因子(见参考文献[1]) 。

　　[来源: GB/T 2900. 74—2008 , 131-14-36 , 有修改]

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　GRL:门反射传输线(GAte Reflect Line)

　　SOLT:短路开路负载直通(Short Open LoAd Through)

　　TRL:直通反射传输线(Through Reflect Line)

　　5 -般要求

　　5 . 1 环境条件

　　测量环境具体要求如下:

　　A) 环境温度 : (23±5)℃ ;

　　b) 相对湿度:≤80% , 当被测件有湿度要求时 , 按被测件实际湿度要求测试 ;

　　c) 其他:周围无影响校准 、测量工作的电磁干扰和机械振动 。

　　5 . 2 测试样品要求

　　测试样品应为均匀 、各向同性的方形固体材料 , 测试样品应表面平整 , 无凹陷或凸起 , 宜等效厚度 ≥

　　2

　　GB/T 42741—2023

　　1/20 波长 , 且等效厚度避免选择四分之一波长整数倍 。不同频段测试样品尺寸可参考表 1 的要求 。

　　注 : 样品等效厚度定义为样品厚度 d ● 槡 , 式中 d 为样品实际厚度 ,εr 为样品相对复介电常数实部 ,μr 为样品的复相对磁导率实部 。

　　表 1 测试样品建议尺寸要求

　　序号

　　频率 f GHz

　　推荐尺寸mm

　　表面要求

　　边长

　　厚度

　　1

　　2≤f<4

　　≥500

　　1~10

　　样品表面平面度和两表面平行度 ≤2%测试样品厚度

　　2

　　4≤f<8

　　≥300

　　1~10

　　3

　　8≤f≤110

　　≥180

　　1~10

　　注 1 : 表面平面度定义为材料表面具有的宏观凹凸高度与理想平面的偏差 。

　　注 2 : 两表面平行度定义为材料最大两个平行面间距离允许的变化量 。

　　5 . 3 测量设备

　　5 . 3 . 1 矢量网络分析仪

　　测试使用的矢量网络分析仪至少应满足以下条件:

　　A) 频率范围 :2 GHz~110 GHz ;

　　b) 噪声电平:≤—110 dBm ;

　　c) 最小分辨带宽:≤ 10 Hz ;

　　d) 最大允许误差 : ±0 . 5 dB。

　　5 . 3 . 2 金属校准板

　　根据样品厚度配备不同厚度的金属校准板 , 金属校准板横向尺寸应与测试样品一致 , 厚度宜大于测试样品 。校准板表面应满足:

　　A) 表面粗糙度 Ra≤3 μm ;

　　b) 表面平面度<0 . 05 mm ;

　　c) 两表面平行度<0 . 08 mm 。

　　5 . 3 . 3 测试天线

　　测试天线在 2 GHz~40 GHz频段使用微波透镜天线(点聚焦) 、40 GHz~110 GHz 频段使用毫米波喇叭天线 , 两个天线极化匹配 。具体要求分别符合表 2 、表 3 。

　　表 2 微波透镜天线(点聚焦)指标

　　序号

　　频率 f

　　GHz

　　焦距

　　mm

　　焦斑

　　mm

　　天线口面到金属板表面距离

　　mm

　　1

　　2≤f<4

　　500

　　≤260

　　与焦距相同

　　2

　　4≤f<8

　　500

　　≤120

　　与焦距相同

　　3

　　8≤f<18

　　≤500

　　≤80

　　与焦距相同

　　4

　　18≤f<40

　　≤500

　　≤60

　　与焦距相同

　　3

　　GB/T 42741—2023

　　表 3 毫米波喇叭天线指标

　　序号

　　频率 f GHz

　　增益(典型值) dB

　　口径mm

　　天线口面到金属板表面距离

　　mm

　　1

　　40≤f<50

　　≥20

　　≤50

　　400~500

　　2

　　50≤f<75

　　≥20

　　≤40

　　400~500

　　3

　　75≤f≤110

　　≥20

　　≤30

　　400~500

　　5 . 3 . 4 千分尺

　　千分尺量程及最大允许误差要求 :

　　A) 量程:>10 mm ;

　　b) 最大允许误差:≤0 . 001 mm 。

　　6 测量方法

　　6 . 1 原理

　　测量原理见图 1,将一个被测样品放置在固定支架上,两端放置天线通过电缆连接至经过校准的矢量网络分析仪 。校准后分别测量 s 11 、s 12 、s 21 、s 22 4 个散射参数,代入散射参数值计算复相对介电常数和复相对磁导率 。被测样品尺寸根据不同频率要求精密加工 。

　　图 1 测量原理图

　　6 . 2 电磁参数的计算

　　根据矢量网络分析仪测量得到的散射参数按公式(3)~公式(7)得到被测样品的相对介电常数和相对磁导率 。

　　Γ = k ± 槡 ……………………( 3 )

　　T ……………………( 4 )

　　k ……………………( 5 )

　　4

　　GB/T 42741—2023

　　ln ……………………( 6 )

　　……………………( 7 )

　　式中:

　　T、Γ、k — 中间变量 ;

　　S11 、S21 — 测试样品两端的散射参数 ;

　　d — 测试样品的厚度 , 单位为米(m) ;

　　λ — 工作波长 , 单位为米(m) ;

　　μ r — 测试样品的复相对磁导率 ;

　　ε r — 测试样品的复相对介电常数 。

　　通过对公式(3) ~ 公式(7)进行计算求解即可求解待测样品的复相对介电常数 、复相对磁导率 。

　　6 . 3 多值问题解决

　　自 由空间法的测量原理中 T 是一个复数 。则令 T = | T |ejφ , 考虑到三角函数的周期性 , 则有公式(8) :

　　……………………( 8 )

　　其中 , —2π<φ<0 , 由计算所得的群时延τgm 见公式(9) :

　　τ gm =d ● ……………………( 9 )

　　式中 , ε rm 和μrm 表示 n 取 m 时对应的相对介电常数和相对磁导率的值 。然而测量所得群时延的大

　　小等于传输系数 T 的相位 φ 对频率的斜率 , 即测量所得群时延如公式(10) :

　　……………………( 10 )

　　根据预估低阶 n 计算出样品介电常数和磁导率 , 再计算公式(9)与公式(10) , 利用τgm —τs ≈0 , 如果一致说明 n 的预估正确 , 否则逐渐调高 n 值 , 重复以上过程 , 直到满足两种方法计算结果一致为止 , 最终确定 n 的值 。

　　6 . 4 电磁参数测量

　　6 . 4 . 1 设备连接要求

　　设备连接示意图见图 2 、图 3 。

　　5

　　6

　　GB/T

　　

　　42741—2023

　　

　　图 2 设备连接示意图(使用透镜天线的情形)

　　图 3 设备连接示意图(使用喇叭天线的情形)

　　6 . 5 测量步骤

　　6 . 5 . 1 校准

　　自 由空间校准可采用 TRL校准或 GRL校准,校准步骤如下 。

　　A) 将矢量网络分析仪按照仪器说明要求预热 。

　　b) 根据测量频率选择图 2 或图 3 连接测试设备 。

　　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 、中频带宽等,一般要求矢量网络分析仪设置中频带宽不大于 500 Hz 。

　　d) 将测 试 夹 具 放 置 在 两 个 天 线 的 焦 点 上(使 用 透 镜 天 线 情 形)或 距 离 天 线 口 面 400 mm ~ 500 mm位置(使用喇叭天线情形),且测试夹具距离收发天线的口面距离一致 。

　　e) 使用 TRL校准时,将金属校准板放置在测试夹具中,金属板两面处在焦平面上,并与水平面垂直,测试夹具附近应无强散射体,记录矢量网络分析仪的 s 11 、s 12 、s 21 、s 22 参数;取出金属校准

　　GB/T 42741—2023

　　板后 , 移动一个天线使两天线靠近 , 距离为金属板厚度的距离 , 记录矢量网络分析仪的 s 11 、 s 12 、s 21 、s 22 参数;还原至步骤 d)位置 , 移动天线口面 1 或天线口面 2 位置 , 使其相对距离增加中心频率 1/4 波长 , 分别记录矢量网络分析仪的 s 11 、s 12 、s 21 、s 22 参数 , 完成各项校准测试后完成所有 TRL校准 。TRL校准模型见参考文献[2]和[3] 。

　　f) 使用 GRL校准时 , 对连接天线的电缆进行双端口 SOLT校准(频率 ≤50 GHz 情形) , 将金属校准板放置在测试夹具中 , 并与水平面垂直 , 测试夹具附近应无强散射体 , 根据天线与金属板的距离通过 s 11 、s 22 找到时域上的峰值并记录 。 同时记录矢量网络分析仪的 s 11 、s 12 、s 21 、s 22参数;取出金属校准板后 , 记录矢量网络分析仪的 s 11 、s 12 、s 21 、s 22 参数;完成各项校准测试后完成所有 GRL校准 。GRL校准模型见参考文献[4] 。

　　6 . 5 . 2 样品测量

　　样品测量步骤如下:

　　A) 使用千分尺测量和记录测试样品的厚度 ;

　　b) 确保测试夹具在两个天线的焦点上 , 且测试夹具距离收发天线口面距离一致 ;

　　c) 将测试样品放置于测试夹具中 , 并与水平面垂直 , 根据测量频率选择测试连接方式 , 如图 2 或图 3 所示 ;

　　d) 记录此时矢量网络分析仪的 s 11 、s 12 、s 21 、s 22 参数 ;

　　e) 根据 6 . 2 计算出样品的复相对介电常数 、复相对磁导率 。

　　7 试验报告

　　试验报告应包括以下内容:

　　A) 采用测试方法及标准 ;

　　b) 样品名称 、型号 、数量 、规格 ;

　　c) 样品接收日期 、测试日期 ;

　　d) 测试环境 、测试项 目 、测试设备 ;

　　e) 样品编号 ;

　　f) 测试结果 ;

　　g) 其他需要报告的内容 。

　　自 由空间法数据记录表格示例见附录 A。

　　7

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　自 由空间法数据记录表格

　　自 由空间法测量数据记录表格示例如表 A. 1 。

　　表 A. 1 自 由空间法数据记录表格

　　测试方法

　　依据文件编号

　　频率/GHz

　　I

　　ε r

　　Ⅱ

　　ε r

　　I

　　μ r

　　Ⅱ

　　μ r

　　2

　　18

　　…

　　110

　　注 :

　　ε r(I) — 复相对介电常数的实部 ;

　　ε r(Ⅱ) — 复相对介电常数的虚部 ;

　　μ r(I) — 复相对磁导率的实部 ;

　　μ r(Ⅱ)— 复相对磁导率的虚部 。

　　8

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