吸波材料；介质谐振器微扰法；HFSS电磁仿真；高损耗材料介电参数测试.docx
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摘要
随着现代微波技术的发展，高损耗吸波材料已成为时下热门的材料。
吸波材料被广泛应用到各个现代化科技领域，例如：
在日常生活中，人们会在加油站、重要考试的考场等地方用吸波材料、电磁屏蔽材料吸收如手机等电子设备发射的电磁波；在医院，吸波材料用来保护精密仪器不受电磁辐射；在军事领域吸波材料的应用更加明显，在高端前沿的电子对抗的领域，吸波材料被用来涂在隐形飞机，隐形战舰上来躲避雷达侦察。
这些都促进了微波高损耗材料的飞速发展。
所以精确测试高损高介材料的微波介电性能就变得更加重要。
然而，大部分现有的微波介质材料的方法并不适用于测量高损耗材料。
本文在谐振法的基础上，结合HFSS电磁仿真软件并利用介质谐振器微扰法精确测试了高损耗介质材料的介电参数。
首先，本文介绍了谐振腔微扰法的原理和推导了理论公式。
然后设计了2种模式的谐振腔，并利用了HFSS进行了TE模式和TM模式下谐振腔模型的仿真；结合矢量网络分析仪组建了TE模式下的高损耗介质材料测试平台，并利用标准样品的测试对仿真模型进行了修正校准，最后利用HFSS仿真模拟出了大量的数据，建立了不同材料的大数据库和谐振频率变化曲线。
最后，本文利用所搭建的测试系统对C和石蜡按质量比混合的材料进行了实际测量证明了本课题测试方法的优势和可靠性并且进行了误差分析与修正。
关键词：
吸波材料；介质谐振器微扰法；HFSS电磁仿真；高损耗材料介电参数测试
I
摘要
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmodernmicrowavetechnology,highlossabsorbingmaterialshavebecomepopularmaterials.Absorbingmaterialsarewidelyusedinvariousfieldsofmodernscienceandtechnology,suchas,Indailylife,peoplewilluseabsorbingmaterialsandelectromagneticshieldingmaterialstoabsorbelectromagneticwavesemittedbyelectronicdevicessuchasmobilephonesingasstations,importantexaminationplacesandsoon;Inhospitals,absorbingmaterialsareusedtoprotectprecisioninstrumentsfromelectromagneticradiation;Inthemilitaryfield,theapplicationofabsorbingmaterialsismoreobvious.Inthefieldofhigh-endfrontierelectroniccountermeasures,absorbingmaterialsareusedtocoatstealthaircraftandstealthwarshipstoavoidradarreconnaissance.Allthesehavepromotedtherapiddevelopmentofmicrowavehighlossmaterials.Therefore,itismoreimportanttoaccuratelytestthemicrowavedielectricpropertiesofhighlossandhighdielectricmaterials.
However,mostoftheexistingmethodsofmicrowavedielectricmaterialsarenotsuitableformeasuringhighlossmaterials.BasedontheresonancemethodandHFSSelectromagneticsimulationsoftware,thedielectricparametersofdielectricmaterialswithhighlossaremeasuredaccuratelybyusingtheperturbationmethodofdielectricresonator.Firstly,theprincipleandtheoreticalformulaoftheresonatorperturbationmethodareintroduced.Secondly,twomodesofresonatorsaredesigned,andthesimulationoftheresonatormodelinTEmodeandTMmodeiscarriedoutbyusingHFSS.AtestingplatformforhighlossdielectricmaterialsinTEmodeisestablishedbycombiningvectornetworkanalyzer,andthesimulationmodelisrevisedandcalibratedbytestingstandardsamples.Finally,alargenumberofdataaresimulatedbyusingHFSS,andthelargesizeofdifferentmaterialsisestablished.Databaseandharmonicfrequencyvariationcurve.
Finally,thetestsystemisusedtomeasureCandparaffinmixturesaccordingtomassratio,whichprovesthesuperiorityandreliabilityofthetestmethodandmakeserroranalysisandcorrection.
KEYWORDS:
Microwaveabsorbingmaterials;DielectricResonatorPerturbationMethod;Electromagneticsimulation;Measurementofhigh-lossdielectrics’dielectricparameters
39
目录
目录
1绪论 1
1.1论文立题背景 1
1.2吸波材料 1
1.2.1定义及分类 1
1.2.2吸波原理 2
1.3微波材料电磁参数测试方法 2
1.4微扰法简介 4
1.5课题研究内容 4
1.6本文组织结构 4
2圆柱腔微扰法原理与理论 6
2.1圆柱谐振腔的重要参数 6
2.2微扰理论 7
2.2.1谐振腔微扰法 8
2.3圆柱谐振腔微扰法 10
2.3.1高Q值谐振器微扰法 10
2.3.2材料损耗角正切 10
3试原理思路及仿真 11
3.1HFSS仿真软件介绍 11
3.1.1软件设计 11
3.1.2软件流程 12
3.2测试思路 12
3.3圆柱谐振腔选择与仿真 13
3.3.1TE模式高Q值介质加载谐振腔 13
3.3.2介质谐振器的耦合激励分析 14
3.3.3TE模式仿真模拟与分析 14
3.3.4TM模式谐振器 18
4测试系统搭建与仿真校验 21
4.1测试系统组成 21
4.2测试步骤及方法 22
4.3仿真校准验证 23
4.3.1标准样品的测试 23
4.3.2HFSS模型仿真数据校准 24
5实测结果及误差分析 27
5.1高介高损材料的测试 27
5.1.1高损耗样品的制备与测量 27
5.2误差分析与改进 31
5.2.1测试装置误差 31
5.2.2误差修正 32
6结论与展望 35
6.1结论 35
6.2后续研究展望 35
致谢 37
参考文献 38
附录 41
0致谢
1绪论
1.1论文立题背景
随着现代信息技术的发展，高损耗微波介电材料广泛用于各种高端前沿领域，如军事，航空航天设备和医疗设备。
它们在军事技术方面的优势更加突出，特别是在电子对抗技术领域，军事隐身领域等扮演了极其重要的角色，这也推动了微波介电材料技术研究的进展和发展。
相对的，随着电磁辐射对环境的影响也越来越大：
在机场，由于电磁波干扰导致飞行不能起飞和延误;在医院，手机经常干扰各种电子诊断设备的正常工作。
电磁辐射分布在空中，潜伏于地下，可以使飞机、轮船、潜艇运行失常，也可以使手机、声呐、雷达等电子产品失灵，甚至被破坏，有时还会损害人体健康，并且它不会受到时间、空间和国界的限制，随时可以向人类发起进攻。
因此，要控制电磁污染，寻找能够承受和减弱电磁辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一个重大课题。
介电常数与介电损耗是表征高损耗材料介电性能的重要基础，因此准确测量所需微波材料的介电特性尤为重要。
材料介电性能的测试属于材料科学，电磁场和微波技术的交织领域，它对于深入研究和理解高损耗微波介质材料电磁屏蔽机制和进行改性具有不可替代的重要价值。
然而，在微波频带中精确测试高介高损材料的介电性能一直是材料测试领域的难点。
常规的的传输线法、微带线法测试精度较低；能精确测试介电性能的谐振法不适用于测试高损耗材料。
本课题在传统的谐振法的基础上，采用微绕法和HFSS大数据仿真模拟来精确测试高损耗材。
1.2吸波材料
1.2.1定义及分类
所谓吸波材料是指材料可以吸收、衰减空间中入射的电磁波能量的一种功能性材料，其可以减少或消除反射的电磁波。
与所有复合材料一样，吸波复合材料也由功能材料和基质材料组成。
在工程方面的应用中，除了在较宽带宽内能高效吸收电磁波之外，还要求材料具有重量轻，耐温性，耐湿性，耐腐蚀性等特性。
1）按研究时期，可分为传统吸波材料和新型吸波材料。
2）按成型工艺和承载能力可分为涂覆型和结构型两类。
3）按其工作原理不同，吸波材料可分为干涉型和吸收型两种。
4）根据吸波机理的不同，吸波材料主要可分为电损耗型、介电损耗型和磁
损耗型三大类。
5）按组成材料种类不同，一般可分为铁系、碳系、陶瓷系等。
1.2.2吸波原理
1）物质方程中所包含的参数和表征着内部存在电磁场的实际介质和相应材料的属性，它们是表征电磁波与材料相互作用最重要的两个参数。
（1-1）
从这里也可以推知：
能量损耗是由介电常数和磁导率的虚部决定的，因此，设计和制备吸波材料时必须充分考虑复介电常数和复磁导率的影响因素。
2）介质损耗角正切
是表征吸波材料性能的另一重要参数，在实践中应用也比较广泛。
损耗取决于电导时，介质损耗角正切由复介电常数决定。
（1-2）
同理（1-3）
显然随和的增大而增大，材料的、和越大，材料的吸波性能越好。
1.3微波材料电磁参数测试方法
复介电常数和复磁导率的测量是微波材料电磁参数测量的主体，而对于电介电材料，它通常是非磁性的，因此我们仅涉及其复介电常数。
由于极化损耗的影响，介质的介电常数为复数并且可以以下面的形式表示：
（1-4）
其中，虚部表示的是介质损耗，损耗角正切为复介电常数虚部与实部的比值，其表达式如下：
（1-5）
因此，在微波材料复介电常数的测量中只要测出介电常数的实部和损耗角正切值就可以得到相应的参数
根据测试原理，测试条件和待测材料的不同，现在常用的微波材料电磁参数的测量方法可分为两类：
网络参数法和谐振法。
网络参数方法包括了：
传输反射方法，自由空间方法，终端短路方法，终端开路方法，时域法等。
它样品制备灵活，测试结构简单，可以测试不同特性的介电材料，能够测量较宽的频带，故使用范围很广，但它的测试精确性不高。
谐振法主要是将待测样品置于测试腔内的电场或磁场最强处，再根据电磁场分布确定样品的位置和方向，通过测量放入样品前后腔体的谐振参数的变化来计算相应的介电参数。
在测试中，利用矢量频率分析仪测量干扰前后腔体的谐振频率f和品质因数Q值的变化，然后根据微扰理论计算公式推算出待测材料的电磁参数。
谐振腔具有高品质因数，并且在测试期间更容易找到所需操作模式的谐振频率。
因此，谐振方法是具有高测试精度的测试方法，可分为谐振腔微扰法，介质谐振法，传输线谐振器法等。
1）同轴探头法
通过将探头放置在液体，固体或粉末材料的平整表面，探头上发射的场将在材料表面发生发射，这时可以测量反射信号以获得，是截断传输线方法的一部分。
其优点有：
易于测试，测量频带宽，适用于损耗型液体，固体和半固体材料的测试。
2）传输线法
传输线方法要求将测试材料放置在封闭的传输线内。
传输线通常使用空气传输线或矩形波导。
通过测试发射信号和传输信号以此获得测试材料的电磁参数。
传输线法优点是可以涵盖的频率带宽很大，最适合测量损耗至低损耗材料，可加工成固体，但是材料的制备比较困难，而且测试精度不高，往往只用于观测其频率变换趋势而很少用于精确测试。
3）自由空间发
自由空间方法通常使用两点聚焦透镜天线，一个作为发射天线，一个作为接收天线，对称放置用于测试。
它们之间的距离是焦距的2倍，待测样品通常位于焦点位置。
微波信号由矢网的一端口发送，通过同轴线传输到聚光透镜天线，通过天线发射聚焦到焦点处的样品位置，传输到样品的部分电磁波被反射形成反射波，并且进入矢量网络的端口1，以此测量S21反射参数。
而另一部分穿透样品形成透射波。
其电磁波的幅度和相位改变，并且通过另一个聚焦透镜天线和同轴线之后进入矢网的另一端口，可以用相同的方式测量样品的S21传输参数，并根据散射参数与待测样品的电磁参数之间的关系推导出待测材料的电磁参数。
使用此方法测量介质的电磁参数时，通常需要进行TRL校准。
样品通常是板状，并且易于制造，整个测试过程为非接触和非破坏性测试，但环境因素对测试结果有较大影响，样品的大小、平整度、放置角度的要求也较高。
图1-1自由空间法
4）谐振法
微波谐振器是具有能量存储和频率选择效应的微波元件。
它们通常可分为两种类型：
传输线型和非传输线型。
传输线型谐振器是微波导向系统的一部分，其两端通常是开路或短路的。
实际的微波谐振器主要是传输线类型，例如圆形腔波导谐振器、同轴谐振器、介质谐振器、微带线谐振器等。
高Q值圆柱空腔谐振法是谐振腔法的一种，其结构是封闭式的圆柱空腔，在其两端加入激励。
首先将待测样品放置在腔体的电场或磁场最强处，然后分析电磁场变化。
在放入待测样品之后，腔体中的电磁场强度和空腔比将改变，并且谐振参数也将随之发生改变。
通常，通过矢量网络分析仪测量扰动前后腔体的谐振频率f和品质因数Q值，然后根据微扰理论计算公式导出待测材料的电磁参数，样品的形状通常为棒状，对于粉末和液体样品可将其置于圆柱形石英管中进行测量，这种测试方法精度高更准确。
圆柱腔法具有类似的结构，除了所使用的模式不同，通常是TM模式，并且样品通常是圆盘形的。
1.4微扰法简介
微扰法的基本原理是谐振腔通过设计的特定的尺寸在固定频率点谐振。
最初，空腔谐振腔具有一个谐振频率f和Q，当加入样品微扰动后，谐振频率曲线将向左移动变为f1，Q将变为Q1。
因此，可以通过在改变之前和之后测试f和Q的差值来计算复介电常数或复磁导率。
微扰法主要分为腔体微扰法和介质谐振器微扰法。
腔体微扰法主要根据腔体的形状分为矩形波导腔体微扰法和圆柱形波导腔体微扰法。
介质谐振器主要分为介质谐振器微扰法（DR）和分离式介质谐振器微扰法（SPDR）。
DR方法要求将样品制成圆盘薄片，并且只能测试具有低介电常数和低介电损耗的固体样品。
SPDR方法仅适用于测试薄膜样品，并且需要大的样品面积。
1.5课题研究内容
高损耗电介质材料（如吸波材料、电磁屏蔽材料）在微波频段的介电性能的精确测试一直是材料测试领域的难点。
常规的的传输线法、微带线法测试精度较低；能精确测试介电性能的谐振法不适用于测试高损耗材料。
本课题在传统的谐振法的基础上，采用微绕法精确测试高损耗材料的介电性能。
研究中，利用高Q值环形谐振器激励的高Q值谐振峰作为主峰，小体积高损耗介质材料置入环形谐振器中，主峰的谐振频率f和Q发生相应变化，根据电磁仿真软件建模仿真分析两种情况下的谐振曲线的差异变化规律，通过比对，即可得到待测样品在谐振频率点处的微波介电性能。
1.6本文组织结构
第一章简要叙述了本文的研究背景，明确了本文的研究意义，概述了微扰材料电磁参数的测试方法及它们的优缺点，详细介绍了时下热门的吸波材料、它的吸波原理和分类。
明确了本文的研究课题目标（即高介高损材料微波介电性能的测量）、组织结构和创新之处。
第二章详细叙述了与圆柱腔微扰法相关的理论原理与公式推导。
首先介绍了圆柱谐振腔的两个重要参数谐振频率f和品质因数Q。
详细介绍了微扰理论，提出了损耗角正切的计算方法。
第三章主要叙述了测试的原理思路和利用HFSS仿真的详尽步骤。
首先简要介绍了本课题所用到的HFSS仿真软件。
然后设计了实验所需的圆柱谐振腔和介质谐振器。
仿真模拟TE模式、TM模式的谐振模型并且详细说明了一步步改进仿真模拟的进程和实验的操作与平台的组装。
期间我们成功改进了TE模式的仿真模型，并得到了大量相对准确的仿真数据和绘制了仿真数据曲线。
第四章我们进行了测试平台的搭建和仿真模型的校准。
主要介绍了实测平台的组成和实际测量的步骤，并且利用已知介电参数的标准样品对仿真模型进行了进一步的校准和验证，提高了数据的准确性。
第五章主要叙述了对实际高损耗样品介电参数的测量和误差的分析与修正。
主要叙述了高损耗样品的制备与测量过程，并将本课题的谐振微扰法和同轴空气法进行了实测对比。
最后分析了误差的来源及造成误差的成因，提出了修正方法。
第六章总结了本文的工作内容，汇总了本课题的研究成果，提出了不足之处，及需要改进的地方，对课题的延续进行了展望。
EquationChapter（Next）Section1
2圆柱腔微扰法原理与理论
2.1圆柱谐振腔的重要参数
谐振频率f和品质因数Q是描述谐振腔的两个重要参数，这与LC谐振电路相同。
这些参数是与模式有关的参数的模式不同，同一腔的参数通常不同。
由于Q值是与损耗相关的量，因此损耗越小，Q值越大，因此通常我们都希望谐振器的品质因数越高越好。
1）谐振频率f
谐振频率是谐振腔中的模场达到最强时的频率（或波长）。
当谐振腔的平均存储电能等于平均存储的磁能时，发生谐振，并且相应的频率是谐振频率。
这反映了谐振腔的振荡规律，并且还表现出了腔内振荡的条件，即谐振腔特有的频率选择特性。
由波导理论可以得到，模圆柱腔中的传播常数为：
（2-1）
式中：
，而
（2-2）
因此，圆柱谐振腔模式和模式的谐振频率为：
（2-3）
2）品质因数Q
品质因数Q是影响谐振腔性能的另一个重要参数。
它通常被定义为当腔达到稳定的谐振状态时，存储在腔中的总能量与一周期内腔能量的损耗之比。
它和谐振腔频率选择特性的好坏与能量存储容量有关。
Q值越高，存储能量越高，频率选择特性越好。
表达式如下：
（2-4）
式中：
W表示谐振腔总储能；表示一个周期内损耗；为谐振腔谐振时的角频率；则表示腔体一个周期内的平均功率损耗。
（2-5）
式中：
，分别表示腔内的电储能和磁储能。
因为腔体内电场和磁场之间存在90°的相位差，因此上式可以表示为
（2-6）
式中：
V为谐振腔体积。
而由腔壁上通过的高频电流引起的腔内损耗功率为
（2-7）
将式（2-6）和（2-7）代入式（2-4），可得到品质因数的表达式为
（2-8）
式中：
为磁场切向分量；S为谐振腔内壁表面面积；为其表面电阻，其表达式如下：
（2-9）
式中，为电磁场在腔体内表面的趋肤深度；为腔体材料的电导率。
根据（2-8）和（2-9）式，将谐振腔、不同模式的场方程代入品质因数的定义式，即可求出对应的品质因数：
模式：
（2-10）
（2-11）
2.2微扰理论
现在，微扰法已被广泛用于测量微波频段的材料电磁特性。
该方法是将小的介电样品放入空腔中，并通过腔的谐振频率f的频移和Q值变化来计算复介电常数和复磁导率。
微扰法是处理电磁问题常用的方法。
其处理思路一般是将微波问题分为两个部分，即未受干扰的问题和微扰后的问题，可以通过前后的差值变化来计算特征量的变化。
如图2-1。
图2-1微扰理论
2.2.1谐振腔微扰法
谐振腔微扰通常有三种方式：
材料微扰、腔壁电阻微扰和体积微扰。
在实际应用中，我们经常通过改变空腔的形状或在空腔中放置小的介电材料或金属来引起一定的形变来实现微扰。
例如，可以在谐振腔中放置一个小的金属螺钉，或利用可变壁的腔体来改变腔体的体积，或者还可以在腔内放置一个小的杆状样品进而改变谐振频率以达到微扰作用。
最后，利用谐振频率的变化和Q值的变化，来测量样品的电磁参数。
1）材料微扰
材料微扰理论是将被测样品置于腔的电场或磁场最强的区域（中心），从而引起腔的谐振频率和品质因数发生相应变化。
通过引入材料前后的谐振频率和品质因数的变化，可以根据微扰公式求出被测材料的电磁参数。
这个理论要求被测样品的尺寸比空腔的尺寸小很多。
假设和是前微扰谐振器中的场，E和H是微扰后谐振器中的场，从麦克斯韦方程中可得到：
（2-12）
（2-13）
（2-14）
（2-15）
将（2-12）两边取共轭，并用H点乘两侧，用乘以（2-15）等号两侧得到
（2-16）
（2-17）
将这两个方程相减，并利用矢量恒等计算公式：
（2-18）
可以得到：
（2-19）
我们用E点乘（2-13）的共轭，用点乘（2-14）得到：
（2-20）
（2-21）
将（
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