CN102116804A - 一种微波介质材料复介电常数测试方法 - Google Patents

Abstract

一种微波介质材料复介电常数测试方法，属于微波测试技术领域。首先将待测微波介质材料加工成两面平行的矩形薄片状，同时准备两个介质材料支撑块和两条金属导带，然后将三者组成一个双面平行带线谐振器，采用微波扫频测试信号通过同轴耦合探针输入双面平行带线谐振器，测量微波扫频测试信号经过双面平行带线谐振器之后的谐振频率f_r和有载品质因数Q_L，并结合已知的参数(相关尺寸以及介质材料支撑块的复介电常数等)计算待测微波介质材料的复介电常数。本发明具有有工作频带宽、测试装置体积小、使用方便、杂模抑制好、测试误差小等优点。本发明能够在各个微波频段范围内实现介质材料复介电常数宽范围、准确迅速的非损伤测量。

Description

一种微波介质材料复介电常数测试方法

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，涉及微波介质材料复介电常数的测试方法，尤其是一种基于双面平行带线谐振器的微波介质材料复介电常数测试方法。

背景技术

微波低损耗电介质材料是雷达通讯、微波电路、微波天线、天线罩以及各种微波元器件中不可缺少的一种多功能材料，在其设计使用时必须要知道其复介电常数。复介电常数是评价微波电介质材料性能优劣的主要依据，同时也是研究材料电特性的重要参数，因此在宽频带范围内对材料复介电常数进行快速准确的测试，具有十分重要的意义。

目前对电介质材料复介电常数的测试方法主要有网络参数法和谐振法两大类。网络参数法是通过测试放置有被测介质的微波传输线的散射参数，然后计算出被测材料的复介电常数。该法适用于高、中损耗材料的测试，如测量低损耗材料，则存在测试误差较大的缺点。

谐振法通过测量加载样品前后微波谐振腔的谐振频率和品质因数来计算得出待测微波材料的复介电常数，其测试精度较高。常用的谐振腔有矩形腔和圆柱腔等，但是在微波低频段测试时，测试腔体太大，造成腔体和样品加工大、质量笨重，不易操作，同时由于其高次模的影响其测试频率范围较窄。对于目前低频段测试低损耗微波介质材料主要采用的带状线谐振器法GB/T12636-90，测试时需要手工将两块介质材料制作成带状线谐振器，其组装过程繁琐，对上下两块介质材料加工的一致性要求较高，且每次都需要制作带状线内导体，组装过程中的误差或内导体切割不规范都会导致测试结果的偏差。还有由于带状线谐振器高次模的影响会限制其测试频率范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双面平行带线谐振器的微波介质材料复介电常数测试方法，该方法具有操作容易，测试效率和测试精度高的特点。

本发明的详细技术方案为：

一种基于双面平行带线谐振器的微波介质材料复介电常数测试方法，包括以下步骤：

步骤1：将待测微波介质材料加工成两面平行的矩形薄片状，加工成的待测微波介质矩形薄片长度为L、宽度为L′、厚度为h₁；h₁控制在0.5～3毫米之间。

步骤2：准备两块相同尺寸、且复介电常数已知的介质材料支撑块，所述介质材料支撑块的长度为L、宽度为L′、高度为h₂；同时准备两条尺寸相同的金属导带，所述金属导带的长度为L、宽度为、宽度为w、厚度为t；要求L＞10w、h₂＞10h₁＞100t。

步骤3：将步骤1所述待测微波介质矩形薄片、步骤2所述介质材料支撑块和金属导带组成一个双面平行带线谐振器。其中一条金属导带固定于一个介质材料支撑块顶面中间，另一条金属导带固定于另一个介质材料支撑块底面中间，待测微波介质矩形薄片夹于两块介质材料支撑块中间，形成一个如图2、3所示的双面平行带线谐振器。

步骤4：搭建测试系统。采用网络分析仪产生微波扫频测试信号，微波扫频测试信号通过输入同轴耦合探针在一条金属导带的端口以空气间隙方式耦合输入双面平行带线谐振器；微波扫频测试信号经过双面平行带线谐振器之后的输出信号在同一条金属导带的另一端口以空气间隙方式耦合进输出同轴耦合探针，并通过输出同轴耦合探针输入到网络分析仪。

步骤5：测量双面平行带线谐振器的谐振频率f_r和有载品质因数Q_L。

测量微波谐振信号谐振频率f_r和品质因数Q_L时，应对双面平行带线谐振器施加一定压力以排除待测微波介质矩形薄片与金属导带之间的空气，直到谐振峰不再往低频段偏移为止；同时通过调节两个同轴耦合探针与谐振器之间空气间隙的距离，使网络分析仪在微波扫频测试信号所在的频段内能够清楚的分辨出谐振峰，并调节谐振峰处耦合量接近-35dB。

步骤6：将双面平行带线谐振器中的待测微波介质矩形薄片旋转90度，按照步骤5的要求再次测量双面平行带线谐振器的谐振频率f′_r。

步骤7：计算待测微波介质材料的复介电常数，包括相对介电常数ε′_r1和损耗角正切tanδ₁；具体计算过程如下：

步骤7-1：计算双面平行带线谐振器的等效相对介电常数ε′_re；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}^{\′}={\left[\frac{n_{1}c}{2f_r(L+\mathrm{\ΔL})}\right]}^2---\left(1\right)$

(1)式中，n₁为步骤5测量谐振频率f_r所对应的谐振模式，c为光速，ΔL为金属导带两端口边缘场效应带来的金属导带的有效增长量；ΔL由下式确定：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{f_{r}L/n_1-f_r^{\′}{L}^{\′}/n_2}{f_r^{\′}/n_2-f_r/n_1}---\left(2\right)$

(2)式中，n₂为步骤6测量谐振频率f′_r所对应的谐振模式；

步骤7-2：计算待测微波介质材料的相对介电常数ε′_r1；微波介质材料的相对介电常数ε′_r1与介质材料块支撑的相对介电常数ε_r2′、谐振器的等效相对介电常数ε′_r2之间满足如下关系式

ε′_re＝ε′_r1q+(1-q)ε′_r2                            (3)

当2w/h₁≥1时：

$q=1-\frac{h_1}{4w_{\mathrm{ef}}}\ln (\frac{2\mathrm{\π}{w}_{\mathrm{ef}}}{h_1}-1)---\left(4\right)$

$w_{\mathrm{ef}}=w+\frac{h_1}{\mathrm{\π}}\ln \left[17.08\left(\frac{w}{h_1}+0.92\right)\right]---\left(5\right)$

当2w/h₁＜1时：

$q=\frac{1}{2}+\frac{0.9}{\mathrm{\π}\ln \frac{4h_1}{w}}---\left(6\right)$

步骤7-3：计算待测微波介质材料的损耗角正切tanδ₁；

双面平行带线谐振器的等效损耗角正切为：

$\tan {\mathrm{\δ}}_e=\frac{1}{Q_L}(1-{10}^{A/20})-\frac{1}{Q_C}---\left(7\right)$

(7)式中：A是双面平行带线谐振器谐振时的插入损耗，当A小于等于-30dB时，可近似取：

$\tan {\mathrm{\δ}}_e=\frac{1}{Q_L}-\frac{1}{Q_C}---\left(8\right)$

其中，Q_L是步骤5测量的双面平行带线谐振器的有载品质因数由谐振器的有载品质因数；Q_C是由金属导体损耗决定的品质因数，且：

$Q_C=\frac{8.686\mathrm{\π}{f}_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}^{\′}}}{c{\mathrm{\α}}_c}---\left(9\right)$

式(10)中：

$w^{\′}=w+\frac{1.25t}{\mathrm{\π}}[1+\ln (2D/t)]---\left(11\right)$

$C=0.5+\frac{h_1}{2w^{\′}}[1+\frac{1.25}{\mathrm{\π}}\ln (2D/t)]---\left(12\right)$

$R_s=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}{f}_r{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\σ}}}---\left(13\right)$

式(13)中μ₀为自由空间磁导率，σ为金属导带的电导率；

式(11)、(12)中：

通过式(9)～式(15)计算出由导体损耗决定的品质因数Q_C，然后由网络分析仪测量得的Q_L通过式(8)计算出tanδ_e，然后由式(16)计算出待测微波介质材料的复介电常数虚部ε″_r1，最后由式(17)计算出待测微波介质材料的损耗角正切tanδ₁；

$\tan {\mathrm{\δ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}^{\′}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}^{\′\′}q+(1-q){\mathrm{\ϵ}}_{r2}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}^{\′}q+(1-q){\mathrm{\ϵ}}_{r2}^{\′}}---\left(16\right)$

$\tan {\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}^{\′}}---\left(17\right)$

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种以双面平行带线谐振器为基础的微波介质材料复介电常数测试方法，通过测量加载待测微波介质矩形薄片后谐振器的谐振频率和品质因数，可以完成微波电介质材料的宽频测试。本发明具有有工作频带宽、测试装置体积小、使用方便、杂模抑制好、测试误差小等优点。本发明能够在各个微波频段范围内实现介质材料复介电常数宽范围、准确迅速的非损伤测量。

附图说明

图1是双面平行带线谐振器剖正视图。其中，1是同轴耦合探针，2是待测微波介质矩形薄片，3是上金属导带，4是下金属导带，5是介质材料支撑块，L是介质材料支撑块、待测微波介质矩形薄片和金属导带的长度，t是金属导带的厚度。

图2是双面平行带线谐振器剖侧视图。其中，2是待测微波介质矩形薄片，3是上金属导带，4是下金属导带，5是介质材料支撑块，L′是介质材料支撑块和待测微波介质矩形薄片的宽度，w是金属导带的宽度，h₁是待测微波介质矩形薄片的厚度，h₂是介质材料支撑块的高度。

具体实施方式

如前述技术方案所述，首先加工待测微波介质矩形薄片，然后准备介质材料支撑块和金属导带，组成图2、3所示双面平行带线谐振器后，搭建测试系统，最后将各种已知参数和测量参数输入计算机，通过编程计算得到待测微波介质材料的复介电常数。

Claims (1)

1.一种基于双面平行带线谐振器的微波介质材料复介电常数测试方法，包括以下步骤：

步骤1：将待测微波介质材料加工成两面平行的矩形薄片状，加工成的待测微波介质矩形薄片长度为L、宽度为L′、厚度为h₁；h₁控制在0.5～3毫米之间；

步骤2：准备两块相同尺寸、且复介电常数已知的介质材料支撑块，所述介质材料支撑块的长度为L、宽度为L′、高度为h₂；同时准备两条尺寸相同的金属导带，所述金属导带的长度为L、宽度为w、厚度为t；要求L＞10w、h₂＞10h₁＞100t；

步骤3：将步骤1所述待测微波介质矩形薄片、步骤2所述介质材料支撑块和金属导带组成一个双面平行带线谐振器；其中一条金属导带固定于一个介质材料支撑块顶面中间，另一条金属导带固定于另一个介质材料支撑块底面中间，待测微波介质矩形薄片夹于两块介质材料支撑块中间，形成一个双面平行带线谐振器；

步骤4：搭建测试系统；采用网络分析仪产生微波扫频测试信号，微波扫频测试信号通过输入同轴耦合探针在一条金属导带的端口以空气间隙方式耦合输入双面平行带线谐振器；微波扫频测试信号经过双面平行带线谐振器之后的输出信号在同一条金属导带的另一端口以空气间隙方式耦合进输出同轴耦合探针，并通过输出同轴耦合探针输入到网络分析仪；

步骤5：测量双面平行带线谐振器的谐振频率f_r和有载品质因数Q_L；

测量微波谐振信号谐振频率f_r和品质因数Q_L时，应对双面平行带线谐振器施加一定压力以排除待测微波介质矩形薄片与金属导带之间的空气，直到谐振峰不再往低频段偏移为止；同时通过调节两个同轴耦合探针与谐振器之间空气间隙的距离，使网络分析仪在微波扫频测试信号所在的频段内能够清楚的分辨出谐振峰，并调节谐振峰处耦合量接近-35dB；

步骤6：将双面平行带线谐振器中的待测微波介质矩形薄片旋转90度，按照步骤5的要求再次测量双面平行带线谐振器的谐振频率f′_r；

步骤7：计算待测微波介质材料的复介电常数，包括相对介电常数ε′_r1和损耗角正切tanδ₁；具体计算过程如下：

步骤7-1：计算双面平行带线谐振器的等效相对介电常数ε′_re； 

(1)式中，n₁为步骤5测量谐振频率f_r所对应的谐振模式，c为光速，ΔL为金属导带两端口边缘场效应带来的金属导带的有效增长量；ΔL由下式确定：

(2)式中，n₂为步骤6测量谐振频率f′_r所对应的谐振模式；

步骤7-2：计算待测微波介质材料的相对介电常数ε′_r1；微波介质材料的相对介电常数ε′_r1与介质材料支撑块的相对介电常数ε_r2′、谐振器的等效相对介电常数ε′_r2之间满足如下关系式

ε′_re＝ε′_r1q+(1-q)ε′_r2                        (3)

当2w/h₁≥1时：

当2w/h₁＜1时：

步骤7-3：计算待测微波介质材料的损耗角正切tanδ₁；

双面平行带线谐振器的等效损耗角正切为：

(7)式中：A是双面平行带线谐振器谐振时的插入损耗，当A小于等于-30dB时，可近似取： 

其中，Q_L是步骤5测量的双面平行带线谐振器的有载品质因数由谐振器的有载品质因数；Q_C是由金属导体损耗决定的品质因数，且：

式(10)中：

式(13)中μ₀为自由空间磁导率，σ为金属导带的电导率；

式(11)、(12)中：

通过式(9)～式(15)计算出由导体损耗决定的品质因数Q_C，然后由网络分析仪测量得 的Q_L通过式(8)计算出tanδ_e，然后由式(16)计算出待测微波介质材料的复介电常数虚部ε″_r1，最后由式(17)计算出待测微波介质材料的损耗角正切tanδ₁；

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