一种非线性导电材料的屏蔽效能测量系统及方法与流程

1.本发明涉及非线性导电材料测量技术，特别是涉及非线性导电材料的屏蔽效能测量系统及方法，其拥有较宽频率测量范围(dc-40ghz)。


背景技术：

2.目前，除了传统的陆、海、空、天四大战争模式以外，信息战已成为现代化战争的重要组成部分。在现代化战争中，强电磁脉冲的干扰与攻击对军用电子设备与人体造成影响和威胁是难以想象的。在强电磁脉冲的威胁下，有效地防护军用设备不受强电磁脉冲的影响是打赢在复杂电磁环境下的信息战争的重要课题。建立电磁屏蔽室是一个可以有效抵制强电磁脉冲的手段，并且理想的场敏感型环境自适应电磁防护材料作为电磁屏蔽室的修建材料已成为主流。在低场强影响的情况下，场敏感型环境自适应电磁防护材料为绝缘材料，对电磁波没有屏蔽功能。但是，当突然受到外界强电磁场影响并且场强超过某一临界值时，由于材料特有的电化学和能量结构特征，能够根据外界电磁环境的变化而在微纳秒间快速改变自身电磁特性，即从绝缘特性变为高导电特性，进而对强电磁脉冲有一个高屏蔽效果，当外部电磁环境恢复到低场强的情况下，材料恢复到绝缘状态。但是，这类材料属于新型屏蔽材料，如何测量其频率在dc-40ghz下不同电场强度下的屏蔽效能还未有相关报道。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的一个目的是提供一种非线性导电材料的屏蔽效能测量系统。
4.本发明的另一个目的是提供一种非线性导电材料的屏蔽效能测量方法，将微带线法与伏安法相结合，测出待测物体的电阻。
5.技术方案：本发明的一种非线性导电材料的屏蔽效能测量系统，包括测量夹具、测量模式切换开关α、测量模式切换开关β、采样电阻、电压表、高压交流电源及矢量网络分析仪，其中，测量夹具正电极的一端与测量模式切换开关α的静触点连接，另一端与矢量网络分析仪的一端连接，矢量网络分析仪的另一端与测量模式切换开关α的动触点1连接；测量夹具的负电极接地，同时与高压交流电源的一端连接，高压交流电源的另一端与采样电阻的一端连接，采样电阻另一端与测量模式切换开关β连接，测量模式切换开关β另一端与测量模式切换开关α的动触点2连接，电压表并联在采样电阻两端，用来测采样电阻两端端电压；测量时，将待测物体两端分别与测量夹具的正电极和负电极电连接。
6.优选的，测量夹具包括正电极、负电极、微带线、介质基板和底座，其中，正电极底部通过焊接与介质基板上表面的微带线连接；负电极设置在介质基板的通孔内，并与底座连接；待测物体两端分别夹持在正电极和负电极上。
7.优选的，正电极和负电极均包括电极上盖和电极凹槽，电极凹槽的中部设有凹槽，左右两侧有凸起，待测物体搭接在两电极凹槽的凹槽间，电极上盖盖在电极凹槽上，且二者通过螺丝固定，正电极的电极凹槽底部通过焊接与介质基板上表面的微带线连接，负电极的电极凹槽设置在介质基板的通孔内，并与底座连接，微带线两端焊接射频同轴连接器母
头。
8.优选的，该系统采用伏安法和/或微带线法测量待测物体在频率范围为dc-100khz时和/或100khz-40ghz时的屏蔽效能。
9.本发明另一实施例中一种基于所述非线性导电材料的屏蔽效能测量系统的测量方法，包括以下步骤：
10.s1、开始测量前先将待测物体分别夹持在正电极和负电极之间，然后将各测量仪器校准，并确保测量系统各接口处连接良好；
11.s2、测量开始时，根据需要选择伏安法测量或者微带线法测量；
12.当测量待测物体在频率范围为dc-100khz时的屏蔽效能，将测量系统切换为伏安法测量状态；
13.当测量待测物体在频率范围为100khz-40ghz时的屏蔽效能，将测量系统切换为微带线法测量状态；
14.s3、根据测量数据计算待测物体材料的屏蔽效能；
15.当采用伏安法测量时，通过采样电阻两端的电压值和高压交流电源的输出电压，求出不同电场强度下待测物体的阻值，通过测量待测物体的尺寸，反演出待测物体材料的屏蔽效能；
16.当采用微带线法测量时，通过读出待测物体材料夹持前后矢量网络分析仪的传输系数变化，推出不同频率下待测物体的阻值；通过测量待测物体的尺寸，反演出待测物体材料的屏蔽效能。
17.进一步的，步骤s2中伏安法测量具体为：
18.将测量模式切换开关α切换到触点2，测量模式切换开关β闭合，测量系统切换为伏安法测量状态；测量夹具上微带线两端焊接的射频同轴连接器母头分别连接一个伏安法对应的射频同轴连接器公头；将其中一个射频同轴连接器公头的内导体引出，连接采样电阻，将另一个射频同轴连接器公头的内导体引出，连接高压交流电源的一端；采样电阻另一端和高压交流电源的另一端连接，此时测量系统测量的频率范围为dc-100khz，在微带线和底座之间馈电，正电极与微带线相连，负电极与底座相连；待测物体夹在正电极和负电极间，此时待测物体与采样电阻串联，通过调节高压交流电源的输出电压大小，高压交流电源的电压在测量夹具两电极之间的缝隙间产生0-50kv/m的电场，使待测物体材料发生相变。
19.进一步的，步骤s2中微带线法测量具体为：
20.将测量模式切换开关α切换到触点1，测量模式切换开关β断开，测量系统切换为微带线法测量状态；矢量网络分析仪使用同轴线缆，更换微带线法对应的射频同轴连接器连接到测量夹具；在频率为100khz-40ghz情况下，在微带线和底座之间馈电；正电极与微带线相连，负电极与底座相连；待测物体夹在正电极和负电极间，此时待测物体与采样电阻并联，通过矢量网络分析仪在微带线两端馈电，使测量夹具两电极之间产生电场；待测物体材料在两电极之间对系统传输性能产生影响。
21.进一步的，步骤s3中待测物体材料的屏蔽效能的计算方法为：
22.通过测出待测物体的电阻r、长度t、和截面积s，计算出待测物体的电导率σ为：
23.24.电磁波在待测物体中的传播常数γ为：
[0025][0026]
其中，f为电磁波频率，μ为磁导率；
[0027]
此外，趋肤深度δ也与电磁波传播有关，定义为电磁波强度在屏蔽体内传播衰减到原强度的1/e时所对应的深度，表示为：
[0028][0029]
待测物体的特征阻抗zs表示为：
[0030][0031]
对于空气而言电导率为0，因此，在远场区平面波的情况下，干扰波的特性阻抗为一定值，用zw表示；
[0032]
计算屏蔽效能se为：
[0033]
se＝a b c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0034]
其中，a为吸收损耗：
[0035]
a＝20lg|e
γt
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0036]
b为反射损耗：
[0037][0038]
c为多次反射损耗：
[0039][0040]
有益效果：与现有技术相比，本发明首次将伏安法与微带线法相结合，在频率较低时将测量模式切换开关切换为伏安法测量模式，通过高压交流电源、采样电阻和电压表测量不同电场强度下待测物体的屏蔽效能；在频率较高时，通过测量模式切换开关切换为微带线法测量模式，通过矢量网络分析仪测量待测物体放置前后系统s参数的影响，测量不同电场强度下待测物体的屏蔽效能。相比现有技术而言，将直流交流相结合，首次实现了频率dc-40ghz的非线性导电材料的屏蔽效能测量。并且，操作简单、成本较低。
附图说明
[0041]
图1为本发明具体实施方式中测量系统原理图；
[0042]
图2为本发明具体实施方式中测量夹具立体图；
[0043]
图3为本发明具体实施方式中测量夹具主视图；
[0044]
图4为本发明具体实施方式中测量夹具侧视图；
[0045]
图5为本发明具体实施方式中测量夹具俯视图；
[0046]
图6为本发明具体实施方式中伏安法测量原理图；
[0047]
图7为本发明具体实施方式中微带线法测量原理图；
[0048]
图8为本发明具体实施方式中屏蔽效能换算程序流程图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0050]
如图1所示，本发明的一种非线性导电材料的屏蔽效能测量系统，包括测量夹具、测量模式切换开关α、测量模式切换开关β、采样电阻、电压表、高压交流电源及矢量网络分析仪，其中，测量夹具的正电极一端与测量模式切换开关α的静触点连接，另一端与矢量网络分析仪的一端连接，矢量网络分析仪的另一端与测量模式切换开关α的第一动触点1连接；测量夹具的负电极接地，同时与高压交流电源的一端连接，高压交流电源的另一端与采样电阻的一端连接，采样电阻另一端与测量模式切换开关β连接，测量模式切换开关β另一端与测量模式切换开关α的第二动触点2连接，电压表并联在采样电阻两端，用来测采样电阻两端端电压；待测物体两端分别与测量夹具的正电极和负电极电连接。测量夹具使用2.92mm射频同轴连接器与测量系统的其他元器件连接。整个测量系统由测量模式切换开关α和测量模式切换开关β切换测量模式，可用于测量待测物体在频率范围为dc-100khz时和/或100khz-40ghz时的屏蔽效能。
[0051]
如图2至图5所示，测量夹具包括正电极3、负电极4、微带线5、介质基板6和底座7，其中，正电极3和负电极4均包括电极上盖和电极凹槽，电极凹槽的中部设有凹槽，左右两侧有凸起，待测物体搭接在两电极凹槽的凹槽间，电极上盖盖在电极凹槽上，且二者通过螺丝固定，正电极3的电极凹槽底部通过焊接与介质基板6上表面的微带线5连接，负电极4的电极凹槽设置在介质基板6的通孔内，并与底座7连接，微带线两端焊接2.92mm射频同轴连接器母头。
[0052]
本发明实施例中：正电极3包括正电极上盖31、正电极凹槽32，负电极4包括负电极上盖41、负电极凹槽42，正电极上盖31和负电极上盖41均为左右两侧攻有螺纹的铜块，正电极凹槽32和负电极凹槽42均为中部设有凹槽，左右两侧有凸起的铜块；正电极凹槽32左右两侧凸起处设有与正电极上盖31上的螺纹相对应螺纹，且正电极上盖31盖在正电极凹槽32上，边缘与正电极凹槽32对齐，正电极上盖31与正电极凹槽32通过铜螺丝在相应的螺纹处连接；负电极凹槽42左右两侧凸起处设有与负电极上盖41上的螺纹相对应螺纹，且负电极上盖41盖在负电极凹槽42上，边缘与负电极凹槽42对齐，负电极上盖41与负电极凹槽42通过铜螺丝在相应的螺纹处连接；待测物搭接在正电极凹槽32和负电极凹槽42的凹槽间。正电极凹槽32和负电极凹槽42平行设置，其中，正电极凹槽32底部通过焊接与介质基板6上表面的微带线5连接，负电极凹槽42设置在介质基板6的通孔内，并与底座7连接，加工时底座7与负电极凹槽42两个部件整体加工。正电极上盖31和正电极凹槽32、负电极上盖41和负电极凹槽42均使用铜螺丝连，以降低上下电极间的接触电阻，提高电极的导电性；待测物体一端被正电极上盖31和正电极凹槽32加持，另一端被负电极上盖41和负电极凹槽42加持，铜螺丝在降低接触电阻的同时，提供电极之间的夹持力，以保证待测物体与电极间接触良好。微带线5位于介质基板6中央，沿介质基板6长边延伸至其边缘；微带线5与正电极凹槽32通过焊接连接。介质基板6设置于底座7上方，在负电极凹槽42处沿厚度方向开槽，开槽尺寸与负电极凹槽42尺寸相同。介质基板6通过负电极凹槽42和底座7组成的整体部件固定。底座7起到支撑整个结构的作用。测量系统用2.92mm同轴端口馈电，通过微带线传输能量，同时，
用电极控制非线性导电材料周围的电压来保证非线性导电材料工作状态恒定。
[0053]
在dc-40ghz这一频率范围内，现有的测量方法难以测量非线性导电材料的屏蔽效能。因此本发明的上述测量系统结合了两种测量方式，来测量非线性导电材料在宽频带下的电导率，再将电导率换算成待测材料的屏蔽效能。该测量系统在频率dc-100khz采用伏安法测量待测物体的电阻，直接通过电极给待测物两端进行馈电，馈源为高压交流电源，频率范围为dc-100khz，通过调节高压交流电源输出电压大小给待测物两端加不同的电压，模拟出不同的场强大小。接着，通过电压表测量流经参考电阻的电压，进而推出参考电阻两端的电流。最后，求得在不同频率与不同电场强度下待测物的电阻。在频率100khz-40ghz采用微带线法测量待测物体的电阻，将矢量网络分析仪通过同轴端口在微带线两端馈电，馈源频率为100khz-40ghz。再通过电极给待测物两端加不同的电压，模拟出不同的场强大小。进而测量出在不同频率与不同场强下待测物体的电阻大小。通过待测物体的电阻值、横截面积、长度、馈源频率，可以计算出待测物体电导率、传播常数、趋肤深度和特征阻抗，进而计算出待测物体的吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗，最后通过吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗的叠加，计算出待测物体的屏蔽效能。
[0054]
基于上述测量系统的非线性导电材料的屏蔽效能测量方法，具体为：
[0055]
s1、开始测量前先将待测物体分别夹持在正电极和负电极之间，然后将各测量仪器校准，并确保测量系统各接口处连接良好；
[0056]
本实施例中：开始测量前先将测量夹具的正电极上盖31和负电极上盖41打开，将待测物体切为2mm
×
2mm
×
9mm大小的长方体两端分别放置于正电极凹槽32和负电极凹槽42内；然后将正电极上盖31和负电极上盖41分别盖在正电极凹槽32和负电极凹槽42上，并使用铜螺丝紧固以保证待测物体与电极接触良好。将各测量仪器校准，并确保测量系统各接口处连接良好。
[0057]
s2、测量开始时，根据需要选择伏安法测量或者微带线法测量，测量非线性导电材料在不同频率与不同电场强度下的电阻值；
[0058]
当测量待测物体在频率范围为dc-100khz时的屏蔽效能，将测量系统切换为伏安法测量状态；具体的：
[0059]
将测量模式切换开关α切换到触点2，测量模式切换开关β闭合，测量系统切换为伏安法测量状态。伏安法测量原理图如图6，测量夹具上微带线两端焊接的2.92mm射频同轴连接器母头分别连接一个伏安法对应的2.92mm射频同轴连接器公头；将其中一个2.92mm射频同轴连接器公头的内导体引出，连接采样电阻，将另一个2.92mm射频同轴连接器公头的内导体引出，连接高压交流电源的一端；采样电阻另一端和高压交流电源的另一端连接。此时系统测量的频率范围为dc-100khz。在微带线5和底座7之间馈电。正电极与微带线5相连，负电极与底座7相连。待测物体夹在正电极和负电极的凹槽中，并使用螺丝固定电极的上下部分，夹紧待测物体。此时待测物体与采样电阻串联，通过调节高压电源的输出电压大小。高压交流电源的电压在测量夹具的正、负电极之间2mm缝隙间产生0-50kv/m的电场，使待测物体材料发生相变。接着，通过采样电阻两端的电压值和高压电源的输出电压，就可以求出不同电场强度下待测物体的阻值；通过测量待测物体的尺寸，就可以反演出待测物体材料的屏蔽效能。
[0060]
当测量待测物体在频率范围为100khz-40ghz时的屏蔽效能，将测量系统切换为微
带线法测量状态；具体的：
[0061]
将测量模式切换开关α切换到触点1，测量模式切换开关β断开，测量系统切换为微带线法测量状态。矢量网络分析仪使用同轴线缆，更换微带线法对应的射频同轴连接器连接到测量夹具。微带线法测量原理图如图7。在频率为100khz-40ghz情况下，在微带线5和底座7之间馈电。正电极与微带线5相连，负电极与底座7相连。待测物体夹在正电极和负电极的凹槽中，并使用螺丝加紧电极的上下部分，固定待测物体。此时待测物体与采样电阻并联，通过矢量网络分析仪在微带线两端馈电，使测量夹具两电极之间产生电场。待测物体材料在两电极之间对系统传输性能产生影响。接着，通过读出待测物体材料加持前后矢量网络分析仪的传输系数。可以推出不同频率下待测物体的阻值；通过测量待测物体的尺寸，就可以反演出待测物体材料的屏蔽效能。
[0062]
s3、根据测量数据计算待测物体材料的屏蔽效能；
[0063]
当采用伏安法测量时，通过采样电阻两端的电压值和高压电源的输出电压，求出不同电场强度下待测物体的阻值，通过测量待测物体的尺寸，反演出待测物体材料的屏蔽效能；
[0064]
当采用微带线法测量时，通过读出待测物体材料加持前后矢量网络分析仪的传输系数，推出不同频率下待测物体的阻值；通过测量待测物体的尺寸，反演出待测物体材料的屏蔽效能。
[0065]
如图8所示，待测物体材料的屏蔽效能的计算方法为：
[0066]
通过测出待测物体的电阻r(单位：ω)、长度t(单位：m)、和截面积s(单位：m2)，可以计算出待测物体的电导率σ(单位：s/m)：
[0067][0068]
默认磁导率为μ＝4π
×
10-7
(h/m)。
[0069]
电磁波在待测物体中的传播常数γ为：
[0070][0071]
式中，f为电磁波频率(单位：hz)。
[0072]
此外，趋肤深度δ(单位：m)也与电磁波传播有关，定义为电磁波强度在屏蔽体内传播衰减到原强度的1/e(37％)时所对应的深度，表示为：
[0073][0074]
待测物体的特征阻抗zs可表示为：
[0075][0076]
对于空气而言电导率基本为0，因此，在远场区(r》λ/2π，其中r为辐射源到物体的距离，λ为电磁波波长)平面波的情况下，干扰波的特性阻抗为一定值，用zw表示：
[0077]zw
＝377(ω)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0078]
计算屏蔽效能se(单位：db)：
[0079]
se＝a b c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0080]
式中，a为吸收损耗：
[0081]
a＝20lg|e
γt
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)；
[0082]
b为反射损耗：
[0083][0084]
c为多次反射损耗：
[0085][0086]
到目前为止，完成了待测物体屏蔽效能的计算。
[0087]
根据以上公式，本具体实施方法编写了相应的反演程序，其流程图如图8。首先测量出待测物体的长度t和横截面积s，并由测量系统得出待测物体的电阻，输入程序的gui界面。程序由gui界面读取输入数据，并通过公式(1)得到待测物体的电导率σ(单位：s/m)。程序根据上一步得到的电导率，内置的默认磁导率和电磁波频率，通过公式(2)得到电磁波在待测物体中的传播常数γ。程序再根据第一步得到的电导率σ，内置的默认磁导率和电磁波频率，通过公式(3)和公式(4)，分别得到电磁波在待测物体中的趋肤深度δ(单位：m)和待测物体的特征阻抗zs。最后一步，程序根据上述步骤计算得出的数据，内置的默认磁导率、电磁波频率和干扰波的特性阻抗值，联立公式(6)、公式(7)、公式(8)和公式(9)，计算得出待测物体的屏蔽效能se。
[0088]
本实施例中，微带线法使用2.92mm射频同轴连接器和dc-40ghz同轴线缆，连接到矢量网络分析仪agilent n5230a。伏安法将2.92mm射频同轴连接器内导体引出，通过导线连接到采样电阻；将2.92mm射频同轴连接器外导体引出，通过导线连接到高压源负极。伏安法和微带线法的测量方式切换通过更换相对应的2.92mm射频同轴连接器实现。
[0089]
测量夹具的长为50mm，宽为30mm。正负电极长为40mm，宽为3.5mm，高为6mm；电极内凹槽长为20mm，高为2mm；电极间间距为2mm；电极材料采用纯铜。正电极上侧与微带线下侧相连，微带线宽为1.83mm。介质基板长宽尺寸与整个测量夹具相同，厚0.8mm，材料采用相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037的ro4350b板材。基座长宽尺寸与测量夹具尺寸相同，厚3mm，材料采用纯铜。