摘 要

材料的电磁参数在各个领域均有着重要的意义，如何准确而有效地获得材料的电磁参数也是重要的研究课题。本文将研究基于NRW传输/反射法的材料电磁参数的测量和计算。

本文利用同轴夹具和矢量网络分析仪完成测量工作。将待测材料填充在同轴夹具中，使用矢量网络分析仪测出1GHz到18GHz频率范围内，填充有待测材料的同轴夹具的散射参数（S参数）。基于S参数和频率等测试数据，使用NRW传输/反射法的算法进行计算，得到介电常数和磁导率。考虑到直观性和可视性，利用matlab的GUIDE（图形用户接口开发环境）设计出用户界面，完成测试数据和计算结果的可视化输入和输出。同时，鉴于测试数据较多的情况，编写绘图m文件直接读取测试数据并进行图形的绘制。

经过对计算值的平均误差和相对误差的分析，计算出的结果比较理想。

关键词：电磁参数；NRW传输/反射法；同轴线

Abstract

Electromagnetic parameters of materials are of great significance in various fields, how to obtain the electromagnetic parameters of the material accurately and effectively is also an important research topic.Based on NRW transmission / reflection method,this paper aims at studying the measurement and calculation of materials’ electromagnetic parameters.

Measurement is carried on using the coaxial line and vector network analyzer in this paper. The material to be tested is filled in the coaxial line, and then the vector network analyzer is used to measure the scattering parameters (S parameters)of the coaxial line filled with material to be measured at frequencies ranging from 1GHz to 18GHz. Based on the test data of S parameters and frequencies, the algorithm of the NRW transmission / reflection method is applied to calculate the permittivity and the permeability.Taking the immediacy and visuality into account, the GUIDE(graphical user interfaces development environment) of MATLAB is used to design a user interface for visual input and output of test data and calculation results.At the same time, considering the situation of a large amount of test data, a m file for drawing is written to directly read the test data and draw graphics.

By analyzing the average error and relative error of the calculated results, the calculated results are quite satisfactory.

Key word:Electromagnetic parameters;NRW transmission / reflection method;coaxial line

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的意义及背景 1

1.2 电磁参数测量法综述 2

1.2.1 集中电路法 2

1.2.2 传输/反射法 3

1.2.3 自由空间法 3

1.2.4 谐振法 4

1.3 NRW传输/反射法简介 5

1.4 本文工作及文章结构 6

第2章 NRW传输/反射法原理 7

2.1 原始NRW传输/反射法 7

2.2 S参数的修正 14

2.3 NRW传输/反射法存在的问题 16

2.4 改进的NRW传输/反射法 17

第3章 实验装置及测试过程 20

3.1 实验装置 20

3.1.1 同轴夹具 20

3.1.2 矢量网络分析仪 21

3.2 测试过程 21

第4章 程序设计及结果分析 24

4.1 程序设计 24

4.1.1 GUI图形界面布局 24

4.1.2 GUI编程 28

4.1.3 绘图m文件 29

4.2 结果分析 30

第5章 总结 37

参考文献 39

附 录 41

致 谢 47

第1章 绪论

1.1 研究的意义及背景

电磁参数是描述物质与电磁场相互作用的最基本的特征参数，同力学性能、热力学性能、光学性能一样，都是物质重要的物理特性。对于介质材料而言，电磁参数主要指的是介电常数和磁导率，本文研究的电磁参数指的也是这两个参数。下面将对电磁参数的应用进行简单的叙述。

在食品加工业中，可以通过研究食品的介电常数，间接获取含水率、瓜果的新鲜程度和成熟程度、食品发酵程度和干燥程度等信息。介电常数与这些食品物料的特性有着密切的联系。通过研究这些联系，能够从介电常数的变化趋势获取这些关键信息。这使得传统意义上的经验性判断走向科学的定量和定性判断^[1]。

探地雷达技术指的通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波的技术。而反射回地面的电磁波包含着丰富的信息，人们可以根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间变化等特征来解读这些信息。在过去的三十多年中，探地雷达技术发展迅速，在工程建筑物结构调查、水文、环境科学、精准农业、地质学和冰川学等诸多领域也得到了越来越广泛的应用。而探地雷达的设计、性能评估以及数据解释同样需要被探测物质的电磁参数等本构参数^[2]。

在半导体集成电路技术中，二氧化硅因具有很好的热稳定性和抗湿性，是集成电路中一直使用的绝缘材料。而集成电路集成度的不断提高，势必意味着集成元器件尺寸以及导线宽度和距离不断减小、元器件数目的大量提升、导线密度的大幅提高。传统上的导线互联材料铝、铝合金和绝缘材料二氧化硅的互联问题已经成为巨大的挑战。当元器件尺寸减小到0.25微米后，电信号的传播延迟、线间干扰和功率耗散等问题不容忽视。目前，用低介电常数材料取代二氧化硅，用铜代替铝及铝合金，建立新型的互联结构，解决传播延迟等问题已经成为半导体集成技术中的重要研究趋势^[3]。