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Case 电磁材料技术教学实验系统

AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

Date: 2017-11-21
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一、 系统概述

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率,与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数的乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中,场的强度会在电介质内有可观的下降,理想电介质导体内部由于静电屏蔽场强总为零,故其介电常数为无穷大。常用电介质包括瓷器(陶器),云母,玻璃,塑料和各种金属氧化物。

随着当今世界科技的发展,介质材料的应用领域也变得更加广泛,在工业、农业、化工、医疗等领域发挥着举足轻重的作用,介质材料电磁参数测试的重要性凸显,为实践应用中介质材料的选择提供重要的技术依据。

固体介质材料电磁参数测试有两种常用方法,分别是传输线法和谐振腔法。两种方法都是基于矢量网络分析仪、测试电缆及测试夹具实现,测试夹具又分为同轴空气线、波导腔和谐振腔。传输线法的优点在于测试频率范围宽,谐振腔法的优点是测量精度高。

AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

图1同轴空气线法介质材料电磁参数测试系统示例

AV9820CA电磁材料技术教学实验系统采用同轴传输线法实现,系统实物图如图1所示,是工程应用领域同轴传输线法电磁参数测试系统的经济型教学实验版本,能完成固体介质材料介电常数的实部、虚部,磁导率的实部、虚部,电、磁损耗角的正切等多个参数的测试及教学实验,并实现数据记录处理、数据传输、误差修正等。搭建起材料专业和工程应用之间的桥梁,帮助学生在学习、理解材料相关基础知识的同时,掌握对基本固体材料电磁参数的测试方法,为材料专业的实验教学提供必要的条件,指导学生理解固体介质材料电磁参数基本概念、掌握固体介质材料电磁参数测试方法、应用固体介质材料提供技术保障。

二、 主要功能与测试参数

2.1  主要功能

本系统能够高效的开展0.5~3GHz/8.5GHz不同频段内各种常用固体介质材料(陶瓷、云母、玻璃、塑料和各种金属氧化物等)介电常数、磁导率相关电磁参数测试的教学实验。

2.2  系统技术指标

系统技术参数主要取决于所选用的矢量网络分析仪和测试夹具见表1。

表1 AV9820CA电磁材料技术教学实验系统主要技术参数

参数名称

技术指标

工作频率范围

500MHz~18GHz(取决于选用矢量网络分析仪和测试夹具)

测试夹具

空气线(包括:N型,3.5mm,2.4mm)

波导腔(各波段,典型应用:X波段,Ku波段,Ka波段)

工作方式

传输线法:扫频测量

准确度

传输线法:10%(典型值)

测量材料厚度

传输线法:λg/4~λg/2(λg:介质波长)

测量参数

传输线法:介电常数实部、虚部,磁导率实部、虚部,电、磁损耗角正切

供电方式

220VAC±10%; 50Hz±5%

 2.3  关键部件指标 

2.3.1    AV3656A/AV3656B系列矢量网络分析仪

AV3656A/AV3656B系列矢量网络分析仪是本教学实验系统的核心设备,其主要指标见表2。

表2 AV3656A/AV3656B系列矢量网络分析仪主要技术参数

项目

AV3656A主要技术参数

AV3656B主要技术参数

频率范围

100kHz~3GHz

100kHz~8.5GHz

频率准确度

±5×10-6

±5×10-6

频率分辨率

1Hz

1Hz

最大发射功率

10dBm

10dBm

测试灵敏度

-110dBm(500MHz以上,连续波)

-110dBm(500MHz以上,连续波)

中频带宽

1Hz~100kHz

1Hz~100kHz

端口类型

N型,阳头

N型,阳头

接口类型

GPIB、USB、VGA、并口、LAN

GPIB、USB、VGA、并口、LAN

 

2.3.2    测试夹具及主要指标

同轴传输线法的测试夹具如图2所示,有矩形波导和同轴传输线两种夹具,图示矩形波导是完全填充波导法的示意图,对于部分填充波导只是材料放置的位置和材料尺寸有所变化而已。

AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

图2 传输线法测试夹具

传输线法测试夹具与被测样品安装如图3所示,被测材料在夹具中纵向放置,但材料与夹具之间尽量不留空隙,以免增大误差。


AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

图3 传输线法测试夹具与被测样品安装示意图

本电磁材料技术教学实验系统采用同轴空气线测试夹具,其主要技术指标见表3。

表3 同轴空气线测试夹具主要技术指标

连接器

工作频段

长度

内导体公差

外导体公差

N型

DC-8.5GHz

75mm

±2.5μm

±4μm

 

三、 系统方案

3.1  测试原理

固体介质材料电磁参数测试系统主要测量固体介质材料的介电常数、磁导率、损耗角等性能参数。传输线法的因为测试频率范围宽的优点,得到了市场的广泛应用。传输线法的测试夹具有同轴空气线和波导腔两种。同轴空气线有N型、3.5mm、2.4mm之分,最高测试频率可到50GHz。波导分段测量,最高测试频率可到110GHz。

传输线法测量介质材料的复介电常数AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统和复磁导率AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统的原理图如图4所示。

AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

图4 传输线法测量AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统原理图

图3中,传输线的中间部分(区域II)放置被测材料,设其复介电常数为AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统,复磁导率为AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统,在I区与II区之间和II区与III区之间反射系数分别为AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统,经过复杂的公式推导,最终得到:

        AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统         (1)

其中AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

通过以上分析,可见测量材料的复介电常数AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统和复磁导率AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统的实质就是由网络的散射参数AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统通过中间变量AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统,最终取得材料的复介电常数AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统和复磁导率AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

3.2  系统组成

AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统

图5 测试系统连接框图

AV9820CA电磁材料技术教学实验系统包括矢量网络分析仪、测试夹具及附件、主控计算机等部分。

计算机通过GPIB总线或LAN与矢量网络分析仪通信,系统连接框图见图5。

3.3  指标分配

该系统仪器端口输出功率为-5dBm,仪器动态范围在中频带宽40k下能达到-90dB以下,该测试方法能满足80dB以上动态范围的测试要求。校准后传输参数能够测试-40dBm的信号,对传输损耗30dB的材料能精确测试。

3.4  测试流程

首先打开仪器预热半小时,打开计算机并确认计算机和网络仪之间电缆正确连接,通过计算机设置测试参数,然后利用网络仪进行全二端口校准,最后在测试夹具内放置材料进行测试。具体流程如图6。


AV9820CA 电磁材料技术教学实验系统 

图6 测试流程图

运行自动测量软件后,正确设置测量需求参数,即可迅速计算出待测材料的介电常数、磁导率、损耗角等性能参数。测试结果立即以直角坐标系下的曲线形式给出,该结果亦可以报表格式存储、打印。

 四、 实验项目设置

本教学实验系统适用于开展0.5~3GHz/8.5GHz频段内各种固体介质材料电磁参数测试的教学实验,可开展的实验项目见表4。

表4 固体介质材料电磁参数测试教学实验项目

序号

实验项目

1.    

矢网原理及使用实验

2.    

介电常数实部测试实验

3.    

介电常数虚部测试实验

4.    

电损耗角正切测试实验

5.    

磁导率实部测试实验

6.    

磁导率虚部测试实验

7.    

磁损耗角正切测试实验

五、 环境适应性要求

本教学实验系统为精密系统,系统中所用仪器设备主要为实验室设备,为了保证系统稳定工作,同时得到稳定精确的测量结果,建议在稳定的温湿度环境下进行测试,并要求采用稳定的电源网络供电。仪器设备总功耗小于1500W,建议选择交流净化电源供电,输出功率大于5000VA,输出电压净化能力要求为220V±10%。系统工作的理想环境为温度23±3℃、相对湿度30%~70%。

六、 项目进度安排

本项目具体进度安排见表5,对于本项目,制约项目进度的主要因素是仪器设备的生产和外购件的购买,在系统所有仪器设备齐套的情况下,预计系统调试时间在1个月左右。

表5关键整部件时间进度

    时间进度

主要整部件

(合同签订后第个月)

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

网络分析仪










测试夹具










校准件










低损耗电缆










测试系统软件










转接器










计算机










 七、 系统配置清单及报价

本系统的应用对象为固体介质材料电磁参数测试教学实验。详细清单及参考报价见表6。

表6 3GHz/8.5GHz固体介质材料电磁参数测试教学实验系统配置清单及报价

项目

名      称

型号

数量

1、测试设备

矢量网络分析仪

3GHz矢量网络分析仪

AV3656A

1台

8.5GHz矢量网络分析仪

AV3656B

1台

电缆

N型测试电缆(3GHz/8.5GHz)

OSZKUZKU0240

OSZKUZKV0240

1对

校准件

N型校准件(DC~3GHz)

AV20205

1套

N型校准件(DC~9GHz)

AV20201

1套

2、固体介质材料电磁参数测试教学实验套件

测试夹具

N型空气线(标配)

AV80903

1套

软件

系统控制与分析软件(安装光盘、加密狗)

AV79101

1套

系统集成

设计、评审、差旅、联调、验收、培训等费


1套

其它附件

实验课件(PPT)


1套

实验作业指导书


2本

N型同轴测试样件


1套

网线


1根

包装箱


1套

3、主控机


控制计算机


1台

4、选件

工具

样品压制工具


1套

 八、 风险评估

AV9820CA电磁材料技术教学实验系统在技术上已经非常成熟、功能和指标满足教学实验测试需求。

对于固体介质材料电磁参数的测试,由于夹具尺寸的限制而导致材料加工困难、精度难以保证,存在由于材料加工精度问题而导致测量结果准确度变差的风险。因此,针对18GHz以下频段的测量夹具选择N型空气线,以降低材料加工的难度,减小材料加工精度导致的测试结果误差。

九、 四十一所技术保障

中国电科41所隶属中国电子科技集团公司,是国内唯一的专业化电子测量仪器研究所,主要从事微波毫米波、光电、通信、通用基础等专业门类的中高端电子测量仪器、综合电子与自动测试系统等技术保障新装备以及宽带微波毫米波功能部件、组件等装备专用关键功能单元的研发和生产,是目前国内规模最大、产品系列最全的电子测量仪器研制生产单位,是打破西方测试技术封锁、实现电子测量仪器和综合电子与自动测试系统自主保障以及推动民族电子测量仪器产业化发展的主要依靠力量,为关键电子元器件、材料以及电子信息装备的研制、生产以及全寿命维护提供测试技术手段与重要支撑。

在集团公司等上级主管部门的大力支持下,中国电科41所科研条件逐步得到改善,在微波毫米波测试仪器几个门类都取得了丰硕的成果。矢量网络分析仪,频谱分析仪、合成扫频信号源、噪声系数分析仪、功率计等六大仪器门类已实现系列化和标准化,并取得经济效益和社会效益的双丰收。同时,在综合电子与自动测试领域,中国电科41所多年来潜心研究先进综合电子与自动测试技术,在技术体系架构、关键组成技术攻关等方面取得长足进步,整体水平已跻身国际先进行列,同时积极实施向产品化、工程化的应用推广转化,已在航天、航空、船舶、电子等诸多测试应用领域为用户提供上百套的各型自动综合测试系统产品,具有丰富的技术积淀,并且可以为用户提供包含设备选型、设计、集成、调试等“一揽子”服务的“交钥匙”工程。

中国电科41所拥有先进的仿真与设计手段,包括CST Microwave Office微波工作室、Ansoft HFSS三维高频结构电磁仿真软件、Ansoft Hamonic 射频微波电路设计分析系统、Ansoft Ense mble两维半电路仿真软件、Ansoft Serenade微波电路设计软件、Mentor Graphic 原理图设计、Altium Designer/Cadence电路设计软件、CAD机械设计软件(含三维立体仿真)、高速PCB设计、热设计、信号完整性分析、电路仿真与优化等EDA开发设计软件、可编程逻辑器件的开发仿真软件和DSP开发软件以及微处理器开发系统和嵌入式开发系统,能够进行系统、整机级的技术指标设计仿真与分解实施,直至整部件级的各种射频、微波、有源、无源、模拟、数字电路的设计、分析、仿真和优化;中国电科41所拥有先进的加工设备,包括引进成套的高性能数控精密加工设备、微组装设备、专用特殊焊接设备、完整的SMT设备和在线测试设备,为各种射频/微波器件、结构件的精密加工以及射频/微波器件、电路板的焊接、组装等工艺提供了可靠的保障;中国电科41所是“电子测试技术重点实验室”、“国防科技工业光电子计量一级站”的挂靠单位,拥有配套先进的测试与计量手段,拥有包含美国Agilent、Tek、德国R&S、日本Anritsu等公司和中国电科41所在内的主流生产厂商的诸多高性能测试仪器以及数十套各类型先进的环境试验设备,为设计开发及实验的测试验证提供全面的保障手段。

综上所述,中国电科41所拥有的先进设计手段、规模化的生产加工中心、坚实的专业技术研发基础、丰富的专业技术经验保障、专业的技术人才队伍和用户至上的专业服务精神,能够为本项目的顺利研发与交付应用提供重要支撑。我们始终以提高中国测量仪器和综合电子与自动测试系统的水平、最大限度满足用户的需求为己任,坚持“创技术新、质量高、服务好、价格低的品牌产品”的宗旨,与各界同仁友好合作,共求发展。


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