基于復反射系數法的介質結構功能厚度測量技術研究

柴永偉　王克先　劉尚吉

摘 要

控制介質結構功能件的電厚度是保證其電性能的重要技術手段。文中分析了復反射系數的測試原理及其與電厚度的關系，并據此研究設計了一套基于復反射系數法的單探頭反射法電厚度測試系統。經過對介質平板的復反射系數測試結果分析及驗證，該系統能夠對介質結構功能件的電厚度分布進行檢測。

關鍵詞

電厚度;復反射系數;介質結構

中圖分類號： TN820 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.015

0 引言

本文基于矢量網絡分析儀的復反射系數測試功能，研究設計了一套單探頭介質平板反射法電厚度測試系統，利用該系統對介質平板的復反射系數進行測試，并對測試結果進行比對分析，驗證了該方法在工程上的可行性。

1 電厚度測量的基本原理

1.1 相位延遲

電厚度是指平面電磁波僅一次通過一種具有一定厚度的均勻無損耗電介質層的相移量，其公式為：

式中：

Ф——電介質層的相移量，單位°;

d——均勻介質的物理厚度，單位mm;

λ——電磁波波長，單位mm;

εr——均勻介質的相對介電常數;

θ——入射角，單位°。

當電磁波垂直入射時，得到此時的電厚度公式為：

1.2 復反射系數與電厚度的關系

將物理厚度為d的介質平板的一面緊貼金屬短路層，將天線探頭放置在介質平板的另一面進行復反射系數測試。圖1所示為復反射系數測量原理圖。則此時探頭處的復反射系數Γ可用等效傳輸線法求出[1]，其值為：

從公式（2）、（3）和公式（4）中可以看出，公式（3）中正好包含電厚度的公式（2）。這說明復反射系數和電厚度有著密切的關系，通過改變介質平板的物理厚度，使反射系數發生變化，從而達到控制介質平板電厚度分布的目的。

對于一個給定的均勻介質平板，通過對公式（3）的分析可知，當測試波長保持不變時，影響復反射系數和電厚度的參數，只有介質平板物理厚度和介質平板的相對介電常數。復反射系數與電厚度之間具備一一對應關系，當介質平板的電厚度偏離設計要求時，其復反射系數的值會偏離固定的范圍。

當介質平板的相對介電常數滿足設計要求，但電厚度值不在設計值范圍內時，通過對介質平板進行打磨或貼補，使介質平板的物理厚度在一定范圍內發生變化，可改變復反射系數的值，從而使介質平板電厚度達到設計值范圍內。當介質平板的物理厚度滿足設計要求，但電厚度值不符合設計范圍時，此時影響介質平板電厚度的因素只有相對介電常數。但相對介電常數沒法通過物理修復手段改變，只有通過微調介質平板物理厚度抵消相對介電常數變化所帶來的影響，保證復反射系數符合設計范圍，從而基本保證電厚度值在設計范圍內。這就是電厚度微波反射測量的基本原理。

2 單探頭反射法電厚度測試系統

單探頭反射法電厚度測試系統主要由矢量網絡分析儀、穩相電纜、波導轉接器、天線探頭以及校正金屬平板組成，圖2所示為單探頭反射法電厚度測試系統。矢量網絡分析儀功能強大，能夠測量電磁波的復反射系數。它測量穩定性好，能提供穩定的頻率信號，并且精度高，工作頻帶寬，不僅能點頻測試，而且還能夠掃頻測試[2-3]。穩相電纜作為柔軟射頻連接饋線，具有低損耗、高相位穩定性及高功率等電性能特點，防止測試的時候因電纜位置的移動彎曲造成測試數據誤差問題。天線探頭用于發射和接收電磁波，其體積小，結構簡單，同時便于手持測量，使用靈活。

3 復反射系數測試及分析

3.1 復反射系數隨厚度變化

為驗證該測量方法的可行性，用單探頭反射法測試系統對一實心介質平板進行了測試。將金屬板分成不同的區域，采用在不同區域加貼不同層數玻璃纖維預浸布的方法改變介質板的厚度，用不同的頻率去測試復反射系數。玻璃纖維預浸布的厚度為0.2mm，測量頻率點為9.0GHz、9.5GHz、10.0GHz。測試前，將天線探頭放置在金屬板上進行校準，校準后，此時復反射系數顯示0°。復反射系數測量結果如圖3所示。

從圖3可以看出，測得的復反射系數相位在不同的頻率下，隨著鋪層厚度的增加，呈現出單調線性變化的趨勢，這證明了單探頭反射法電厚度測試系統的可行性。

3.2 介質平板的測試及校正

為驗證該測試方法在工程上的可行性，對某一實心介質平板用以上方法進行驗證測試。該介質平板的電性能測試結果表明部分掃描角的電性能指標不能滿足設計要求。為了找到該介質平板制造缺陷的具體位置并進行修復，我們對該介質平板進行復反射系數測試。首先，在介質平板一面貼上鋁箔，作為反射面。其次，在介質平板另一面，我們根據測試單元測試面積的大小，將介質平板劃分成若干個測試點。測試時，選取矢量網絡分析儀的復反射系數測試功能，并將頻率設置成10GHz。將測試天線的探頭放置在金屬板上進行校正設置，校正設置完后，此時復反射系數顯示0°。然后將探頭放置在介質平板的測試點上，按順序依次測量，并從矢量網絡分析儀上讀取數據，并記錄數據。該介質平板根據設計要求，會有一個標準值，取該標準值的±1°范圍作為該介質平板的設計公差。將測試后的復反射系數數據與設計的公差比較，發現在介質平板的多處區域，其測試的數值的不在公差范圍內，有的低于公差下限，有的高于公差上限。經理論分析，低于公差下限的區域偏厚，需要打磨減少壁厚，高于公差上限的區域偏薄，需要貼補增加壁厚。將復反射系數的偏差值與物理厚度進行轉化，計算該區域的打磨或貼補的量值，并進行打磨或貼補。打磨、貼補校正前后，對介質平板進行復反射系數測試的結果如圖4所示。

從圖4可知，經過對超差區域的罩壁打磨或貼補后，其超差區域的復反射系數測試值已經在公差范圍內。對介質平板重新進行電性能測試，其電性能測試結果得到改善，滿足了設計要求。

通過該系統對介質平板的校正實例應用，證明了單探頭反射法電厚度測試系統在工程應用的可行性。

4 結論

根據矢量網絡分析儀的復反射系數測試功能，研究設計的單探頭反射法電厚度測試系統具有重要的工程應用價值，為高電性能介質結構功能件的制造提供了一種過程質量保證手段。

參考文獻

[1]唐漢.微波原理.南京：南京大學出版社，1990.

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

[3]湯世賢.微波測量.北京：國防工業出版社，1981.