建筑物等效电参数测试方法的研究

摘要
随着国家对环保的不断重视，电磁辐射问题也越来越受到人们的关注，因此电磁辐射预测系统成为了当今的热点研究方向之一。在对高压线、通信基站和广播电视发射塔等建于市区内的设备进行辐射预测时，需要考虑建筑物对电磁波传播的影响，这是因为电磁波在遇到建筑物阻挡时会产生一定的路径和幅相变化。传播路径的改变主要是由反射和衍射引起；幅度变化和相位变化则是由建筑物的介电特性产生，它会导致传播中的电磁信号强度出现损耗，那么系统的研究建筑物等效电参数则是很有必要的。本文的主要内容是建立在对建筑物等效电参数研究的基础之上，首先通过分析现代生活中的各种电磁辐射信号来源和阻碍辐射信号传播的主要原因，确定了测试的主要频率和目标物体。在人们的生存空间中最主要的辐射源为通信基站，它与手机的工作频率都为 800MHz~2.1GHz，这也是本文建筑物墙体的主要测试频段。通过查阅大量的资料，发现近年来等效电参数测量常用的方法多为同轴传输/反射法，而由于建筑物的特性，需要利用无损测量技术，同轴探头法和自由空间法则正好符合了这样的要求。本文对这两种方法的测试理论和校准原理进行了详细的说明，其中同轴探头法的理论基础为准静态模型，该模型省略了多次模对测试结果的影响；自由空间法则是基于菲涅尔反射定律的基础之上，先通过金属板校准，然后反演出物质等效电参数。两种测试方法的适用环境也不尽相同，文中同轴探头法被用于实验室内测试建筑用混凝土块的研究中，这是由于其校准条件的特殊性所决定的；自由空间法则在实地测试中具有明显的优势，所以利用该方法对两处高大的户外建筑物墙体进行测试。在测试结果与理论值进行对比后，可以看出这两种测试方法都具有较高的准确性，最后把测试得到的建筑物等效电参数拟合成随频率变化的光滑曲线，以便于结果分析和建立电磁辐射预测系统中物质介电特性数据库。
关键字关键字：同轴探头法自由空间法建筑物等效电参数网络分析仪
目录
摘要 ............................................................................................................ I
Abstract...................................................................................................... II
1引言 ...................................................................................................... 1
1.1   背景 ...............................................................................................................1
1.2建筑物混凝土块介电特性 ...........................................................................2
1.3国内外研究现状及分析 ...............................................................................4
1.4本文研究的主要内容 ...................................................................................7
1.5本章小结 .......................................................................................................8
2开口同轴探头测试方法研究 .............................................................. 9
2.1开口同轴探头法的发展状况 .......................................................................9
2.2开口同轴探头法测试理论 .........................................................................10
2.2.1同轴探头测试方法简述.................................................................................... 10
2.2.2谱域准静态模型 ............................................................................................... 13
2.3开口同轴探头法测试系统 .........................................................................17
2.3.1测试仪器技术指标及 S 参数 ........................................................................... 17
2.3.2固体和液体测试装置 ....................................................................................... 19
2.3.3校准 ................................................................................................................... 20
2.3.4反演计算与误差分析 ....................................................................................... 26
2.4同轴探头法的实测与分析 .........................................................................30
2.4.1盐水样品测试及分析 ....................................................................................... 30
2.4.2有机玻璃样品测试及分析................................................................................ 32
2.4.3建筑用混凝土块测试及分析............................................................................ 34
2.5本章小结 .....................................................................................................42
3自由空间测试方法研究 .................................................................... 44
3.1自由空间法的发展 .....................................................................................44
3.2自由空间法测试理论 .................................................................................44
3.2.1菲涅尔反射系数定义 ....................................................................................... 45
3.2.2自由空间法介电特性反演过程........................................................................ 47
3.3自由空间法测试系统 .................................................................................48
3.3.1喇叭天线 ........................................................................................................... 49
3.3.2测试仪器校准 ................................................................................................... 50
3.3.3验证计算及误差分析 ....................................................................................... 50
3.4建筑物实地测试与分析 .............................................................................53
3.4.1实地测试一 ....................................................................................................... 53
3.4.2实地测试二 ....................................................................................................... 57
3.5本章小结 .....................................................................................................61
4小结与展望 ........................................................................................ 63
4.1总结 .............................................................................................................63
4.2问题及展望 .................................................................................................64
附录 A网络分析仪单端口校准过程 .................................................. 65
附录 B同轴探头法反演程序 .............................................................. 69
附录 C网络分析仪全校准过程 .......................................................... 77
附录 D自由空间法求解程序 .............................................................. 82
参考文献 .................................................................................................. 85