本文主要研究了功能材料电磁参数的频域测量方法，包括测量软磁材料磁导率的电感线圈法和同轴腔法、可以同时测量介电常数和磁导率的传输/反射法、以及测量介电常数的无需校准的传输/反射法。前两种方法以阻抗测量为基础，继而由联系阻抗和磁导率之间的方程计算出被测环形磁性材料试样的磁导率;后两种方法以散射参数测量为基础，使用联系散射参数和材料电磁参数的反射方程计算材料的电磁参数。在研究以阻抗测量为基础的测量方法之前，研究了矢量网络分析仪8753ES的阻抗测量方法和测量精度。以下按照章节顺序给出所研究内容的工作总结。　　 （一）使用矢量网络分析仪8753ES测量器件输入阻抗的研究　　 通过对网络分析仪8753ES(N型端口)的散射参数测量不确定度的研究，确定了仪器的最佳测量设置:校准功率和测量功率为10dBm，中频带宽为300Hz。该设置均衡了散射参数的测量精度和测量速度之间的矛盾。　　 分别计算了该仪器使用三种电路连接形式测量器件阻抗的测量不确定度。通过分析计算结果，明确了在不降低测量精度的情况下使用单端口反射法可以获得最大的可测阻抗范围:阻抗幅值和相位可允许的变化范围约为(6～400)Ω和(0.08～1.4)rad。从分析结果还得知，使用单端口反射法测量器件阻抗的最小相对不确定度为2％。与其他阻抗测量方法或测量仪器相比，网络分析仪的可测阻抗范围较窄，但其可以在更高频率下进行测量。　　 （二）使用电感线圈法测量软磁材料磁导率的研究　　 该方法通过在环形试样上绕制线圈制作了电感器件，并使用集总参数等效电路模型对该电感线圈进行等效，模型中包括与磁芯磁导率有关的电感和电阻、绕组交流电阻、以及电感线圈杂散电容。使用网络分析仪单端口反射法测量电感线圈的阻抗，继而计算出磁芯的磁导率。　　 在分析和对比不同杂散电容求解方法的基础上，本文提出了一种根据共模扼流圈间接测量杂散电容的方法，当集总参数模型有效时，该方法从理论上讲是完备的，且操作方便，计算简单。　　 为验证电感线圈法，使用同一材料两种规格的环形磁芯制作了两个电感，其中一个线圈用来测量磁芯磁导率，另外一个磁芯用来验证磁导率的测量结果。磁导率测量结果显示，未考虑杂散电容的计算结果仅在较低频率时可用，当频率升高后会出现明显的错误。另外，使用磁导率测量值作为验证用的电感线圈磁芯的磁导率，并计算其复阻抗。与阻抗测量值相比，阻抗计算值具有很高的符合程度，证明了磁导率测量的相对正确性。　　 通过对测量不确定度的分析表明，使用网络分析仪作为阻抗测量仪器时，线圈阻抗的大小决定了磁导率测量不确定度。因而，应在不同频率段绕制不同匝数的线圈，使得线圈的阻抗值在网络分析仪可测阻抗范围内。　　 （三）使用短路同轴腔测量软磁材料磁导率的研究　　 该方法测量时，将环形磁性材料试样与内导体同轴地放置在同轴腔短路端面上。使用传输线和集总参数等效电路的混合模型对其进行等效，其中同轴腔外导体截面不连续等效为一个集总电容，试样段短路同轴线等效为一集总电感。　　 与电感线圈法相比，该方法没有绕组交流电阻和杂散电容不能精确求解的缺陷，能够实现更高频率下的磁导率测量;与单匝电感等效法相比，所使用的等效模型更为精确，近似条件更少，由模型近似所导致的系统误差更小。　　 为检验方法的有效性，设计并加工了一个30mm×20mm×3.04mm的同轴腔。实验测量了两个相同材料制作但尺寸不同的环形磁性材料试样。分别使用同轴腔方法和同轴传输/反射法测量了较大的试样;同轴腔法和电感线圈法测量较小的试样。同轴腔方法与传输/反射法的测量结果的比较表明，本文方法与传输/反射法的测量结果几乎完全一致，比单匝电感等效法的计算结果更为精确。本文方法和电感线圈法的测量结果也具有较好的一致性，虽然在7MHz以下磁导率的虚部有一定的偏差。另外，通过对两个同样材料制作的试样的磁导率测量结果进行的比较说明，较小的试样使得同轴腔的输入阻抗与测量仪器特性阻抗偏离较远，从而得到的磁导率测量结果比较大的试样具有更大的误差。　　 通过对本文方法的系统误差的分析和仿真表明，系统误差是材料电磁参数、频率以及试样尺寸的函数，降低测量频率和减小试样尺寸可以减小系统误差。方法的相对测量不确定度计算结果表明:　　 1)较大的试样具有较小的测量不确定度;　　 2）反射系数测量不确定度对磁导率实部的测量不确定具有90％决定性影响;　　 3）试样尺寸的不确定度对磁导率虚部的影响更大;　　 4）在保证反射系数测量不确定度较小的情况下，增大试样尺寸可以降低磁导率测量不确定度。然而增大试样尺寸会提高系统误差，因此这里认为降低测量频率更能保证同轴腔测量磁导率方法的准确度和精确度。　　 （四）使用传输/反射法测量介电常数和磁导率的研究　　 基于传输线理论和电磁波与材料的相互作用机理，推导了使用同轴传输线作为测量夹具的传输/反射法计算式。与通常使用的电磁参数计算式的表达形式相比，使用特性阻抗和传播常数的计算式表达形式具有简洁对称的优点，且具有更大通用性，同样适用于其它不同的传输线，例如波导、带线等。如果被测材料为非磁性的电介质材料，除了基于NRW法的同时使用传播常数和特性阻抗的计算式外，还导出了另外两个不同的显性计算式，它们分别仅使用特性阻抗或传播常数计算复介电常数。　　 从理论上研究了传输/反射法的两个著名缺点，即“多值性问题”和“半波谐振问题”，从理论上揭示了二者产生的根本原因，并给出了各自的解决方法。　　 与常用的“群延迟法”相比，使用“虚部补偿法”解决多值性问题具有多个优点:　　 1）无需测量群延迟，减少了工作量，节约了测量时间;　　 2）计算简单，一次计算即可完成所有频率点对应的传播常数的校正工作，无需在每一个测量频率点都进行比较计算;　　 3）校正工作与被测材料电磁参数无关，在电磁参数求解前即可完成校正工作。　　 在应用虚部补偿法时，应注意以下两点:　　 1）起始测量频率应尽可能的低;　　 2）测量频率间隔应足够小，以确保两个相邻频率下的相位常数变化不超过2π。文中给出了起始测量频率和频率间隔的约束不等式。　　 经过理论分析，使用NRW计算方法和使用特性阻抗的计算方法计算低损耗电介质的介电常数会产生半波谐振问题，即介电常数在试样长度为电磁波在试样中的波长一半的整数倍的那些频率点附近会出现巨大的发散现象。分析表明，在那些特殊的频率点，散射参数S11趋于0导致其测量误差很大，经南反射系数传递至最后的介电常数计算结果。因此，使用与反射系数无关的传播常数计算介电常数能够有效地消除半波谐振问题。由于计算式为显性的，因此无需预估介电常数进行迭代计算，也无需引入等效电磁参数参与计算。　　 根据传输线理论设计和加工了用于传输/反射法测量的Φ16mm同轴传输线夹具。通过对其电压驻波比的测量发现，南于7mm/16mm传输段的影响，该夹具在3GHz以上性能不佳，表现在散射参数S11的测量值与理论值相差较大。　　 研究了与网络分析仪用户指导不同的仪器校准方法，在使用该校准方法的基础上可以获得与试样位置以及夹具长度无关的散射参数转换方法，因而避免了试样位置以及夹具长度测量误差带来的影响，提高了测量精度。实验结果证明了该散射参数转换方法较常用的校准方法能够带来更精确的散射参数值。　　 以聚四氟乙烯为标准材料进行了一些实验测量，分别使用四种不同的计算方法计算了介电常数。测量结果显示使用传播常数的计算方法能够有效地消除较长试样的半波谐振问题，其精确度与使用S21的迭代算法相当，比NRW算法和使用特性阻抗的计算方法更为精确，这被后面的测量不确定度分析结果所证明。介电常数测量结果与文献使用谐振腔测量的参考值相比相差不超过10％，证明了方法的正确性。实验还测量其它常用的电介质材料和磁性材料，为电磁功能材料的正确使用给出一定的参考。　　 对三种介电常数计算方法的测量不确定度的分析结果表明:　　 1)NRW法测量归一化长度小于0.25试样能够给出测量不确定度最小的测量结果;　　 2）测量归一化长度大于0.25的低损耗和中等损耗材料试样，使用传播常数计算的介电常数具有最小的测量不确定度;　　 3）而对于高损耗材料，使用特性阻抗计算介电常数能够获得较好的结果;　　 4）传输/反射法测量低损耗材料介电常数虚部的不确定度很大，因而更适合用于测量中高损耗材料的电磁参数。　　 （五）使用无需校准的传输/反射法测量介电常数的研究　　 本文基于传输/反射法给出了一种测量材料介电常数的简单方法。该方法无需校准即可去除测量系统的误差。由于消除了非理想校准件、不完善的去嵌入方法、夹具的转换部分、以及适配器的连接失配等影响，使用该方法能够获得较高的测量精度。另外，测量之前不需要校准测量仪器，因而节约了测量时间。　　 除了这些与其他非校准方法相似的优点以外，本章方法仅需要使用一个试样和一个传输线夹具经过两次测量即可得到被测材料的介电常数。方法首先测量未放入待测试样的空夹具，然后将试样放入夹具测试区域的任意位置进行第二次测量。南于放入试样后仅需要一次测量，因此夹具只需要在一端进行拆卸和安装，因而能够尽可能地保证夹具连接的可重复性。如果夹具的加工精度足够高，在测量多种不同的试样前只需要测量一次空夹具即可，这样可以大大简化人员操作和节约测量时间。另外，该方法从理论上保证了测量结果与夹具测试区域的特性阻抗以及长度无关，而且试样在夹具中的位置对测量结果几乎没有影响。　　 为了验证所给的测量方法，进行了大量的实际测量实验，测量对象为聚四氟乙烯试样。不同长度试样的测量结果表明，在较低频率下使用该方法时，需要足够长的试样才能获得高精度的测量，因此不推荐在GHz以下使用该方法进行测量。不同方法的测量结果之间的对比表明，南于消除了夹具过渡段的影响，所给方法的测量精度远高于第六章中需要校准的传输/反射法;与“多位置法”相比，本章方法的测量结果不会在特殊频率点处出现奇异值，无需进行复杂的混合测量来消除奇异点。将一个试样放置在夹具测试区中9个不同位置下的测量实验验证了本章方法几乎与试样位置无关，也就是说试样在测试腔体中的位置可以是任意的。　　 通过分析和对比实验数据还可以发现，使用同轴传输线作为测量夹具时的测量精度低于使用矩形波导的测量精度。这主要是因为，试样与导体间的空气间隙在同轴传输线中比在矩形波导中具有更大的影响，从而带来了更大的测量误差。南于所给方法同样适用于波导，因此可以相信使用矩形波导作为测量夹具应用本章方法可以获得更高的测量精度。　　 方法不确定度的分析结果表明，该方法的测量不确定度与使用传播常数的传输/反射法近似。然而两种方法相比，所给方法具有明显的优点。