信息科学技术前沿丛书 微波和太赫兹波段复介电常数与复磁导率测量技术

材料在微波和THz波段的复介电常数与复磁导率是各种应用系统如无线通信、雷达、微波遥感成像和射电天文等的关键基本设计参数之一。微波和THz波段的复介电常数与复磁导率的测量方法与技术就成为制约这些领域的关键瓶颈之一，基于不同测试原理的各种测量方法与技术层出不穷。在众多测量方法中，二端口传输线法（Two-PortTransmissionLineMethod，T-PTLM）以简单、宽带和精度适中的优势被广泛应用。其核心是如何有效并精准地从传输反射（TransmissionReflection，TR）、仅反射（Reflection-Only，R-O）或仅传输（Transmission-Only，T-O）测试得到的S参数中提取出待测材料不同频率点的复介电常数与复磁导率值。在全面总结文献中现有的各种提取方法与技术基础上，针对目前文献中主流提取方法与技术的不足，提出了独特的解决方式，以克服这些不足。依据S参数的测试方法和测试材料的层数，将本文工作分为三个部分，研究内容及其创新点总结如下：针对基于TR测试提取单层平板材料复介电常数广泛存在的谐振、多解和受到样品测试位置影响三大难题，首先依据电磁场理论提出新型解析提取方法，完善了抑制解析提取谐振的理论；然后创造性地提出一种计算复杂度低的组合提取方法，同时解决了这三大难题。实验和仿真验证了提出的方法。针对基于TR测试提取衬底上薄膜和平板间粉末颗粒材料复介电常数与复磁导率尚存的不足之处，拓展上述基于电磁场理论的方法，提出计算复杂度低且同时适用于TE10和TEM波传输线测试的解析提取方法。解决了衬底上薄膜复介电常数与复磁导率提取多解问题和平板间粉末颗粒复介电常数提取谐振问题。实验和仿真验证了提出的方法。对于TR测试无法实施或无效时必须应用的R-O和T-O测试，通常只用于单层平板材料。针对基于R-O测试的提取方法与技术尚存的两个不足之处，首先详细分析反射系数方程解决了复介电常数提取多解问题，然后应用人工神经网络消除了样品测试位置对提取的影响；针对基于T-O测试提取样品THz波段复介电常数存在的初值估计问题，提出基于传输系数的介电常数估算模型，解决了这个问题。实验和仿真验证了提出的方法和技术。