柴永偉　王克先　劉尚吉

摘 要

控制介質(zhì)結(jié)構(gòu)功能件的電厚度是保證其電性能的重要技術(shù)手段。文中分析了復(fù)反射系數(shù)的測(cè)試原理及其與電厚度的關(guān)系，并據(jù)此研究設(shè)計(jì)了一套基于復(fù)反射系數(shù)法的單探頭反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)介質(zhì)平板的復(fù)反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果分析及驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)橘|(zhì)結(jié)構(gòu)功能件的電厚度分布進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞

電厚度;復(fù)反射系數(shù);介質(zhì)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN820 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.015

0 引言

本文基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的復(fù)反射系數(shù)測(cè)試功能，研究設(shè)計(jì)了一套單探頭介質(zhì)平板反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)介質(zhì)平板的復(fù)反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證了該方法在工程上的可行性。

1 電厚度測(cè)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(guò)一種具有一定厚度的均勻無(wú)損耗電介質(zhì)層的相移量，其公式為：

式中：

Ф——電介質(zhì)層的相移量，單位°;

d——均勻介質(zhì)的物理厚度，單位mm;

λ——電磁波波長(zhǎng)，單位mm;

εr——均勻介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);

θ——入射角，單位°。

當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，得到此時(shí)的電厚度公式為：

1.2 復(fù)反射系數(shù)與電厚度的關(guān)系

將物理厚度為d的介質(zhì)平板的一面緊貼金屬短路層，將天線探頭放置在介質(zhì)平板的另一面進(jìn)行復(fù)反射系數(shù)測(cè)試。圖1所示為復(fù)反射系數(shù)測(cè)量原理圖。則此時(shí)探頭處的復(fù)反射系數(shù)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(shuō)明復(fù)反射系數(shù)和電厚度有著密切的關(guān)系，通過(guò)改變介質(zhì)平板的物理厚度，使反射系數(shù)發(fā)生變化，從而達(dá)到控制介質(zhì)平板電厚度分布的目的。

對(duì)于一個(gè)給定的均勻介質(zhì)平板，通過(guò)對(duì)公式（3）的分析可知，當(dāng)測(cè)試波長(zhǎng)保持不變時(shí)，影響復(fù)反射系數(shù)和電厚度的參數(shù)，只有介質(zhì)平板物理厚度和介質(zhì)平板的相對(duì)介電常數(shù)。復(fù)反射系數(shù)與電厚度之間具備一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)介質(zhì)平板的電厚度偏離設(shè)計(jì)要求時(shí)，其復(fù)反射系數(shù)的值會(huì)偏離固定的范圍。

當(dāng)介質(zhì)平板的相對(duì)介電常數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，但電厚度值不在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)對(duì)介質(zhì)平板進(jìn)行打磨或貼補(bǔ)，使介質(zhì)平板的物理厚度在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，可改變復(fù)反射系數(shù)的值，從而使介質(zhì)平板電厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。當(dāng)介質(zhì)平板的物理厚度滿足設(shè)計(jì)要求，但電厚度值不符合設(shè)計(jì)范圍時(shí)，此時(shí)影響介質(zhì)平板電厚度的因素只有相對(duì)介電常數(shù)。但相對(duì)介電常數(shù)沒(méi)法通過(guò)物理修復(fù)手段改變，只有通過(guò)微調(diào)介質(zhì)平板物理厚度抵消相對(duì)介電常數(shù)變化所帶來(lái)的影響，保證復(fù)反射系數(shù)符合設(shè)計(jì)范圍，從而基本保證電厚度值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。這就是電厚度微波反射測(cè)量的基本原理。

2 單探頭反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)

單探頭反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、穩(wěn)相電纜、波導(dǎo)轉(zhuǎn)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(cè)試系統(tǒng)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功能強(qiáng)大，能夠測(cè)量電磁波的復(fù)反射系數(shù)。它測(cè)量穩(wěn)定性好，能提供穩(wěn)定的頻率信號(hào)，并且精度高，工作頻帶寬，不僅能點(diǎn)頻測(cè)試，而且還能夠掃頻測(cè)試[2-3]。穩(wěn)相電纜作為柔軟射頻連接饋線，具有低損耗、高相位穩(wěn)定性及高功率等電性能特點(diǎn)，防止測(cè)試的時(shí)候因電纜位置的移動(dòng)彎曲造成測(cè)試數(shù)據(jù)誤差問(wèn)題。天線探頭用于發(fā)射和接收電磁波，其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)便于手持測(cè)量，使用靈活。

3 復(fù)反射系數(shù)測(cè)試及分析

3.1 復(fù)反射系數(shù)隨厚度變化

為驗(yàn)證該測(cè)量方法的可行性，用單探頭反射法測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一實(shí)心介質(zhì)平板進(jìn)行了測(cè)試。將金屬板分成不同的區(qū)域，采用在不同區(qū)域加貼不同層數(shù)玻璃纖維預(yù)浸布的方法改變介質(zhì)板的厚度，用不同的頻率去測(cè)試復(fù)反射系數(shù)。玻璃纖維預(yù)浸布的厚度為0.2mm，測(cè)量頻率點(diǎn)為9.0GHz、9.5GHz、10.0GHz。測(cè)試前，將天線探頭放置在金屬板上進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后，此時(shí)復(fù)反射系數(shù)顯示0°。復(fù)反射系數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，測(cè)得的復(fù)反射系數(shù)相位在不同的頻率下，隨著鋪層厚度的增加，呈現(xiàn)出單調(diào)線性變化的趨勢(shì)，這證明了單探頭反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)的可行性。

3.2 介質(zhì)平板的測(cè)試及校正

為驗(yàn)證該測(cè)試方法在工程上的可行性，對(duì)某一實(shí)心介質(zhì)平板用以上方法進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。該介質(zhì)平板的電性能測(cè)試結(jié)果表明部分掃描角的電性能指標(biāo)不能滿足設(shè)計(jì)要求。為了找到該介質(zhì)平板制造缺陷的具體位置并進(jìn)行修復(fù)，我們對(duì)該介質(zhì)平板進(jìn)行復(fù)反射系數(shù)測(cè)試。首先，在介質(zhì)平板一面貼上鋁箔，作為反射面。其次，在介質(zhì)平板另一面，我們根據(jù)測(cè)試單元測(cè)試面積的大小，將介質(zhì)平板劃分成若干個(gè)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試時(shí)，選取矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的復(fù)反射系數(shù)測(cè)試功能，并將頻率設(shè)置成10GHz。將測(cè)試天線的探頭放置在金屬板上進(jìn)行校正設(shè)置，校正設(shè)置完后，此時(shí)復(fù)反射系數(shù)顯示0°。然后將探頭放置在介質(zhì)平板的測(cè)試點(diǎn)上，按順序依次測(cè)量，并從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。該介質(zhì)平板根據(jù)設(shè)計(jì)要求，會(huì)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，取該標(biāo)準(zhǔn)值的±1°范圍作為該介質(zhì)平板的設(shè)計(jì)公差。將測(cè)試后的復(fù)反射系數(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的公差比較，發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)平板的多處區(qū)域，其測(cè)試的數(shù)值的不在公差范圍內(nèi)，有的低于公差下限，有的高于公差上限。經(jīng)理論分析，低于公差下限的區(qū)域偏厚，需要打磨減少壁厚，高于公差上限的區(qū)域偏薄，需要貼補(bǔ)增加壁厚。將復(fù)反射系數(shù)的偏差值與物理厚度進(jìn)行轉(zhuǎn)化，計(jì)算該區(qū)域的打磨或貼補(bǔ)的量值，并進(jìn)行打磨或貼補(bǔ)。打磨、貼補(bǔ)校正前后，對(duì)介質(zhì)平板進(jìn)行復(fù)反射系數(shù)測(cè)試的結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，經(jīng)過(guò)對(duì)超差區(qū)域的罩壁打磨或貼補(bǔ)后，其超差區(qū)域的復(fù)反射系數(shù)測(cè)試值已經(jīng)在公差范圍內(nèi)。對(duì)介質(zhì)平板重新進(jìn)行電性能測(cè)試，其電性能測(cè)試結(jié)果得到改善，滿足了設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)介質(zhì)平板的校正實(shí)例應(yīng)用，證明了單探頭反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)在工程應(yīng)用的可行性。

4 結(jié)論

根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的復(fù)反射系數(shù)測(cè)試功能，研究設(shè)計(jì)的單探頭反射法電厚度測(cè)試系統(tǒng)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，為高電性能介質(zhì)結(jié)構(gòu)功能件的制造提供了一種過(guò)程質(zhì)量保證手段。

參考文獻(xiàn)

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