思仪3671G矢量网络分析仪同轴法测试磁环材料电磁参数
一、项目背景
磁性材料广泛应用于滤波器、变压器、电感及 EMC 抑制元件。随着 5G、新能源汽车等发展，需在 10 MHz～3 GHz 宽频段精确表征磁环的相对介电常数 εr 与相对磁导率 μr，传统 LCR 表、阻抗分析仪高频覆盖不足。西安安泰测试设备有限公司为客户提供思仪 3671G 配合同轴夹具的解决方案。
二、应用分析
同轴传输线法将磁环加工成与 7mm 同轴夹具匹配的圆环，插入夹具后测 S11、S21，经 NRW 算法反演 εr、μr。该方法频率覆盖宽、可同时获取复介电常数与复磁导率的实虚部、样品制备简便。3671G（10 MHz～43.5 GHz）动态范围高（1 GHz 以上 128 dB），支持 SOLT/TRL/ECal 校准与 AFR 夹具去嵌入，64 通道多窗口显示，录制 / 运行功能实现批量复现。系统由 3671G、7mm APC-7 夹具、校准件、3.5mm 测试电缆及 NRW 反演软件组成。
系统组成
完整测试系统由以下几部分构成：
组件 | 型号/规格 | 功能 |
矢量网络分析仪 | 思仪 3671G | 提供10 MHz～43.5 GHz双端口S参数测量 |
同轴材料测试夹具 | 7mm同轴夹具（APC-7型） | 装夹磁环样品，传递S参数信号 |
校准件 | 思仪 3671-011 N型机械校准件 / ECal | 全双端口SOLT校准，将参考面移至夹具端口 |
测试电缆 | 思仪 3671N35M/3671N35F（3.5mm） | 连接VNA端口与同轴夹具 |
样品制备工具 | 精密内圆磨/车床 | 将磁环样品加工至7mm同轴夹具匹配尺寸 |
数据处理软件 | VNA内置材料参数提取 / Matlab NRW脚本 | S参数数据采集与εr、μr反演计算 |
三、主要仪器技术
3.1 思仪 3671G 矢量网络分析仪
3.2 同轴材料测试夹具（7 mm APC-7）
四、具体仪器操作
4.1 测试前准备与硬件连接
开机前检查清单：
◆ 确认磁环样品尺寸符合7 mm同轴夹具要求（外径≈7.00 mm，内径≈3.04 mm），端面平整、无毛刺；
◆ 清洁同轴夹具内外导体及样品端面，用无水乙醇擦拭后晾干；
◆ 3671G开机预热至少30分钟后再进行校准，确保射频链路达到热稳定；
◆ 按下表完成硬件连接：
连接位置 | 线缆/夹具型号 | 说明 |
VNA 端口1（Port 1）→ 夹具输入端 | 3671N35M（3.5 mm阳头测试电缆） | 适配3671G的3.5 mm NMD端口 |
VNA 端口2（Port 2）→ 夹具输出端 | 3671N35F（3.5 mm阴头测试电缆） | 构成完整双端口传输通道 |
磁环样品 | 插入7 mm APC-7同轴夹具中段 | 确保样品与内外导体同轴贴合 |
注：若仪器端口为2.4 mm NMD（3671G标配），可通过2.4 mm转3.5 mm转接头连接测试电缆。
4.2 全双端口SOLT校准
校准目的是将测量参考面从VNA端口推移至夹具与样品的接触面，消除电缆、连接器和夹具引入的系统误差。
步骤 | 操作内容 | 要点说明 |
第1步 | 按【校准】→【向导校准】，选择"全双端口SOLT"校准类型 | 选择与校准件套装匹配的校准件型号（如31101 N型校准件） |
第2步 | 短路（Short）校准：将校准件短路标准接上VNA端口1（取下夹具），按照向导提示完成 | 确保短路件与端口拧紧至规定力矩 |
第3步 | 开路（Open）校准：换接开路标准件，完成端口1开路校准 | 开路校准修正端口寄生电容 |
第4步 | 负载（Load）校准：接上50Ω标准负载件，完成端口1负载校准 | 负载校准修正端口反射误差 |
第5步 | 重复步骤2～4完成端口2的短路/开路/负载校准 | |
第6步 | 直通（Thru）校准：将端口1测试电缆与端口2测试电缆对接（不装样品夹具），按向导完成直通校准 | 直通校准修正传输跟踪误差，确保S21/S12精确 |
第7步 | 校准完成后仪器屏幕右上角出现"Cor"标志，记录校准日期，同一天内重复测试无需重新校准 | 校准后勿折弯电缆，否则需重校 |
4.3 S参数测量参数设置
校准完成后，设置测量参数：
步骤 | 操作内容 | 要点说明 |
第1步 | 按【频率】→设置起始频率"10 MHz"、终止频率"3 GHz"（覆盖磁性材料主要应用频段） | 若需更宽频段可延伸至26.5 GHz |
第2步 | 按【扫描】→设置扫描点数"1601"（对数频率扫描），在低频和高频区保持足够点密度 | 扫描点数越多，频率分辨率越高，但扫描时间延长 |
第3步 | 按【中频】→设置中频带宽"1 kHz"（兼顾测量速度与噪底） | 低损耗材料可降至300 Hz以获得更低噪底 |
第4步 | 按【通道】设置4个测量轨迹：通道1-S11（对数幅度）、通道2-S21（对数幅度）、通道3-S11相位、通道4-S21相位 | 4个参数同时显示，便于后续NRW反演 |
第5步 | 按【功率】→设置输出功率"-5 dBm"（保证线性测量，避免磁性材料非线性饱和） | 部分高饱和磁通密度样品可适当提高至0 dBm |
第6步 | 装入待测磁环样品，将其置于夹具中段，拧紧夹具螺母至规定力矩 | 每次更换样品力矩保持一致，减少接触变化 |
第7步 | 按【触发】→选择"连续扫描"，观察S11、S21曲线稳定后按【数据→存储】保存当前S参数数据（.s2p格式） | 建议保存格式选择Touchstone（.s2p） |
4.4 εr和μr参数反演（NRW算法）
获取S参数后，利用Nicholson-Ross-Weir（NRW）算法反演磁环样品的复介电常数（εr*）和复磁导率（μr*）：
◆ 将保存的.s2p文件导入数据处理软件（Matlab/Python脚本或专用材料测量软件）；
◆ 输入样品长度L（单位：mm）及参考传输线特征阻抗（50 Ω）；
◆ 执行NRW算法：
• 由S11和S21计算反射系数Γ和传播常数γ；
• 由γ求解复磁导率 μr* = μr' - jμr'' 和复介电常数 εr* = εr' - jεr''；
• 绘制εr'、εr''（介质损耗角正切）、μr'、μr''（磁损耗角正切）随频率变化的谱图。
◆ 注意NRW算法在d×√(εr×μr) = nλ（n为整数）处会出现谐振奇异点，此时可用迭代法替代。
典型结果示例（铁氧体磁环，L=10 mm，50 MHz～3 GHz测试）：
频率点 | εr' (介电实部) | εr'' (介电损耗) | μr' (磁导实部) | μr'' (磁导损耗) |
100 MHz | 12.3 | 0.45 | 8.5 | 1.2 |
500 MHz | 11.8 | 0.68 | 4.2 | 2.1 |
1 GHz | 11.2 | 1.10 | 2.1 | 2.8 |
2 GHz | 10.8 | 1.85 | 1.3 | 1.6 |
3 GHz | 10.5 | 2.30 | 1.05 | 0.9 |
注：上表数据为演示示例，仅供参考，实际值视样品材料配方而定。
4.5 录制/运行功能实现批量样品测试
3671G矢量网络分析仪的"录制/运行"功能可将完整测试流程（设置参数→装样→触发→保存）录制为宏程序，实现一键批量测试：
步骤 | 操作内容 | 要点说明 |
录制 | 按【工具】→【录制】→【开始录制】，执行一次完整的测量设置与数据保存操作，完成后按【停止录制】 | 录制时可插入提示对话框，提示操作员"请更换样品，按确认继续" |
运行 | 更换下一个磁环样品后，按【工具】→【运行】→选择对应宏文件，系统自动执行全部步骤并保存数据 | 数据文件名可自动编号（Sample_001.s2p, Sample_002.s2p…） |
批量处理 | 所有样品测量完毕后，用NRW脚本批量处理全部.s2p文件，输出εr/μr汇总表格 |
五、交付服务
含到货验收、系统集成、校准演示、标准样对比实测、约 3 小时操作培训、录制功能演示及操作手册、NRW 脚本等文档移交。
总结
实现 10 MHz～43.5 GHz 宽频段 εr、μr 精确测量，>120 dB 动态范围覆盖宽损耗材料，标准化.s2p 输出无缝对接反演软件，录制 / 运行支持高效批量测试，适用于铁氧体磁环研发质检、EMC 吸波材料表征、PCB 基材介电常数测量及信号完整性分析等场景。
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