CN102707155A - 一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置 - Google Patents

Abstract

一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，属于介质材料测试技术领域。包括准光学谐振腔、同轴线耦合圆环和矢量网络分析仪；准光学谐振腔为对称双凹腔或平凹腔；同轴线耦合圆环为连接同轴线内导体和外导体的圆环状金属导体。测试信号经同轴线、耦合输入孔和第一同轴线耦合圆环进入谐振腔；谐振腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环输出，穿过耦合输出孔，最后经另一段同轴线传回矢量网络分析仪。本发明在准光学谐振腔的直接耦合孔基础上，增加了同轴线耦合圆环，通过调节同轴线耦合圆环的尺寸大小实现了信号耦合输入能量和耦合输出能量大小的调节，从而实现了耦合能量的可调性。同时，本发明具有结构简单、操作方面的特点。

Description

一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置

技术领域

本发明属于介质材料测试技术领域，涉及微波、毫米波频段介质材料复介电常数测试用准光学谐振腔。

背景技术

介质材料的复介电常数测量方法按测试原理主要分为两大类：网络参数法和谐振法。网络参数法一般适用于中高损耗的电介质材料的复介电常数测量中，谐振法则适用于低损电介质耗材料的复介电常数测量。

谐振法又分为微扰法、高Q腔法、传输谐振器法、介质谐振器法和准光学谐振腔法等。其中，准光学谐振腔法常用于毫米波频段的电介质材料复介电常数测试中。

准光学谐振腔，简称准光腔。常用的准光腔结构有两种：一种是对称双凹腔结构，由两个凹面镜正对放置而成；一种是平凹腔结构，由一个平面镜和一个凹面镜正对放置而成。

在毫米波段，准光腔比较常用的耦合方式是小孔耦合。此种耦合方式能有效的激励起准光腔内的电磁场，具有结构简单、加工方便的特点；但缺点是耦合孔的位置一旦确定，电磁波耦合能量的大小也就相应确定下来，不具有可调性。

文献“Gaussian-Beam Open Resonator with Highly Reflective Circular Coupling Regions,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1993,vol.41,No.10,p1710~1714.”提出了一种采用金属栅栏薄膜进行电磁波能量耦合的方式，但此种能量耦合方式对金属条栏的间距要求比较苛刻，需要很高的加工工艺。

文献“The Influence of a Coupling Film on Ultra-Low-Loss Dielectric Measurement Using anOpen Resonator,Journal Millimeter Terahertz Waves,2011,vol.32,p935-942.”和文献“Measurement of Dielectric Properties for Low-Loss Materials at Millimeter Wavelengths,JournalMillimeter Terahertz Waves,2012,vol.32,p838~847.”采用在球面镜间斜插入一块耦合膜片进行能量耦合，膜片的插入角度需与准光腔的光轴呈45°角。系统利用天线将发射电磁波对准光腔进行激励。此耦合方式适合于太赫兹频段，运用毫米波段系统构成太复杂。

发明内容

本发明提供一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，具有结构简单、制作方便和耦合能量可调的特点，适用于微波、毫米波宽频段范围电介质材料复介电常数的测试。

本发明的技术方案如下：

一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，如图1、2所示，包括准光学谐振腔1、同轴线耦合圆环2和矢量网络分析仪3。所述准光学谐振腔1为由两个凹面镜正对放置而成的对称双凹腔或由一个平面镜和一个凹面镜正对放置而成的平凹腔。所述同轴线耦合圆环（2）为连接同轴线内导体和外导体的圆环状金属导体。对于准光学谐振腔1为对称双凹腔的介质材料复介电常数测试装置而言，矢量网络分析仪3产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过对称双凹腔中位于第一凹面镜11中心的耦合孔（即耦合输入孔）111后经第一同轴线耦合圆环21耦合入对称双凹腔；对称双凹腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环22耦合输出，穿过对称双凹腔中位于第二凹面镜12中心的耦合孔121后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪3。对于准光学谐振腔1为平凹腔的介质材料复介电常数测试装置而言，矢量网络分析仪3产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输入耦合孔111后经第一同轴线耦合圆环21耦合入平凹腔；平凹腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环22耦合输出，穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输出耦合孔121后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪3。

本发明提供的基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，具体工作过程是：矢量网络分析仪3产生的测试信号通过同轴线传输，穿过准光学谐振腔的耦合输入孔，经第一同轴线耦合圆环21耦合入准光学谐振腔；被测介质样品置于准光学谐振腔中（对于对称双凹腔而言，被测介质样品置于双凹腔的正中心；对于平凹腔而言，被测介质样品置于平面镜的正中心）的测试位置；准光学谐振腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环22耦合输出，穿过准光学谐振腔的耦合输出孔，最后经另一段同轴线传回矢量网络分析仪3。利用矢量网络分析仪3和相应的测试软件对被测介质样品进行测试。

通过调节所述第一同轴线耦合圆环21和第二同轴线耦合圆环22的尺寸大小能够实现信号耦合输入能量和耦合输出能量大小的调节。

所述凹面镜或平面镜为金属材料制作或玻璃基底加表面金属化制作。

本发明提供的基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，对信号耦合方式进行了改进，在采用准光学谐振腔的直接耦合孔基础上，增加了连接同轴线内导体和外导体的圆环状金属导体-同轴线耦合圆环，由于同轴线耦合圆环的尺寸大小能够任意调节，这样就能够通过调节同轴线耦合圆环的尺寸大小来实现信号耦合输入能量和耦合输出能量大小的调节，从而实现了耦合能量的可调性。同时，本发明提供的基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置没有采用金属栅栏薄膜或耦合膜片的能量耦合方式，使得本发明具有结构简单、操作方面的特点。

附图说明

图1是本发明提供的基于对称双凹腔的介质材料复介电常数测试装置结构示意图。

图2是本发明提供的基于平凹腔的介质材料复介电常数测试装置结构示意图。

图3是对称双凹腔结构示意图。

图4是平凹腔结构示意图。

图5是对称双凹腔中凹面镜示意图。

图6是平凹腔中凹面镜示意图。

图1至图6中：1是准学谐振腔，2是同轴线耦合圆环，3是矢量网络分析仪；11是对称双凹腔中第一凹面镜或平凹腔中凹面镜，12是对称双凹腔中第二凹面镜或平凹腔中平面镜，21是第一同轴线耦合圆环，22是第二同轴线耦合圆环，111是对称双凹腔中第一凹面镜中心的输入能量耦合孔或平凹腔中凹面镜中心附近的输入能量耦合孔，121对称双凹腔中第二凹面镜中心的输出能量耦合孔或平凹腔中凹面镜中心附近的输出能量耦合孔。

具体实施方式

一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，如图1、2所示，包括准光学谐振腔1、同轴线耦合圆环2和矢量网络分析仪3。所述准光学谐振腔1为由两个凹面镜正对放置而成的对称双凹腔或由一个平面镜和一个凹面镜正对放置而成的平凹腔。所述同轴线耦合圆环（2）为连接同轴线内导体和外导体的圆环状金属导体。对于准光学谐振腔1为对称双凹腔的介质材料复介电常数测试装置而言，矢量网络分析仪3产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过对称双凹腔中位于第一凹面镜11中心的耦合孔（即耦合输入孔）111后经第一同轴线耦合圆环21耦合入对称双凹腔；对称双凹腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环22耦合输出，穿过对称双凹腔中位于第二凹面镜12中心的耦合孔121后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪3。对于准光学谐振腔1为平凹腔的介质材料复介电常数测试装置而言，矢量网络分析仪3产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输入耦合孔111后经第一同轴线耦合圆环21耦合入平凹腔；平凹腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环22耦合输出，穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输出耦合孔121后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪3。

通过调节所述第一同轴线耦合圆环21和第二同轴线耦合圆环22的尺寸大小能够实现信号耦合输入能量和耦合输出能量大小的调节。

所述凹面镜或平面镜为金属材料制作或玻璃基底加表面金属化制作。

本发明提供的基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，具体工作过程是：矢量网络分析仪3产生的测试信号通过同轴线传输，穿过准光学谐振腔的耦合输入孔，经第一同轴线耦合圆环21耦合入准光学谐振腔；被测介质样品置于准光学谐振腔中（对于对称双凹腔而言，被测介质样品置于双凹腔的正中心；对于平凹腔而言，被测介质样品置于平面镜的正中心）的正中位置；准光学谐振腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环22耦合输出，穿过准光学谐振腔的耦合输出孔，最后经另一段同轴线传回矢量网络分析仪3。利用矢量网络分析仪3和相应的测试软件对被测介质样品进行测试。

利用基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置进行介质材料复介电常数测量过程如下：

首先利用网络分析仪3测出准光学谐振腔1空载时的谐振频率f₀和品质因数Q₀；然后将被测介质样品置于准光学谐振腔1的负载位置（对于对称双凹腔而言，被测介质样品置于双凹腔的正中心；对于平凹腔而言，被测介质样品置于平面镜的正中心），利用网络分析仪3测出准光学谐振腔1加载被测介质样品后的谐振频率f_0s和品质因数Q_s；再根据腔体加载样品前后的谐振频率和无载品质因数的变化，可计算得到介质材料的相对介电常数和损耗角正切。其计算公式如下：

根据准光学谐振腔基模谐振频率公式：

$f_{00q}=\frac{c}{2D}[q+1+\frac{1}{\mathrm{\π}}\arctan \sqrt{D/(R_0-D)}]---\left(1\right)$

式中，c为光速，D为准光学谐振腔的腔长(从耦合孔下端到平面镜上端的距离)，R₀为球面镜的曲率半径，q为准光学谐振腔的纵向模数。

由先前记录的空腔谐振频率f₀和腔长D(测量得到的)，即可反算出基模的谐振模式。当谐振模式确定后，根据空腔谐振频率f₀和q值，可以反算出更加精确的腔长D。

样品的相对介电常数的计算公式为：

$\left.\begin{array}{c}\frac{1}{n}\tan (\mathrm{nkt}-{\mathrm{\φ}}_t)=-\tan (\mathrm{kd}-{\mathrm{\φ}}_d)\\ {\mathrm{\φ}}_t=\arctan (t/{\mathrm{ns}}_0)\\ {\mathrm{\φ}}_d=\arctan (d^{\′\′}/s_0)-\arctan (t/{\mathrm{ns}}_0)\\ w_0^2=\frac{2}{k}\sqrt{(d+t/n^2)(R_0-d-t/n)}\\ s_0=\sqrt{d^{\′\′}(R_0-d^{\′\′})}\\ d=D-t\\ d^{\′\′}=d+t/n\\ n=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中：c为光速，D为准光学谐振腔的腔长，R₀为球面镜的曲率半径，t为介质样品的厚度。

由先前测量加载谐振腔的谐振频率f_0s、样品的厚度t以及根据空腔谐振频率f₀反算出的准光学谐振腔腔长D，即可解超越方程,从而得到样品的相对介电常数。

损耗角正切的计算：

$\left.\begin{array}{c}\tan \mathrm{\δ}=\frac{1}{Q_e}\·\frac{\mathrm{t\Δ}+d}{\mathrm{t\Δ}+\frac{1}{2k}\sin 2(\mathrm{kd}-{\mathrm{\φ}}_d)}\\ \frac{1}{Q_e}=\frac{1}{Q_{0s}}-\frac{1}{Q_1}\\ Q_1=Q_{00}\·\frac{2(\mathrm{t\Δ}+d)}{D(\mathrm{\Δ}+1)}\\ \mathrm{\Δ}=\frac{n^2}{n^2{\cos }^2(\mathrm{nkt}-{\mathrm{\φ}}_t)+{\sin }^2(\mathrm{nkt}-{\mathrm{\φ}}_t)}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

在式中Q_s是加载谐振腔的品质因数，Q₁是放入理想介质样品（无损耗）的品质因数，Q₀是空腔的品质因数。

通过前面的步骤算出相对介电常数，以及先前测得的加载谐振腔品质因数Q_s和空腔品质因数Q₀即可计算出样品的损耗角正切。

Claims (3)

1.一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，包括准光学谐振腔（1）、同轴线耦合圆环（2）和矢量网络分析仪（3）；所述准光学谐振腔（1）为由两个凹面镜正对放置而成的对称双凹腔或由一个平面镜和一个凹面镜正对放置而成的平凹腔；所述同轴线耦合圆环（2）为连接同轴线内导体和外导体的圆环状金属导体；

对于准光学谐振腔（1）为对称双凹腔的介质材料复介电常数测试装置而言，矢量网络分析仪（3）产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过对称双凹腔中位于第一凹面镜（11）中心的输入能量耦合孔（111）后经第一同轴线耦合圆环（21）耦合入对称双凹腔；对称双凹腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环（22）耦合输出，穿过对称双凹腔中位于第二凹面镜（12）中心的输出能量耦合孔（121）后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪（3）；对于准光学谐振腔（1）为平凹腔的介质材料复介电常数测试装置而言，矢量网络分析仪（3）产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过平凹腔中位于凹面镜（11）中心附近的输入能量耦合孔（111）后经第一同轴线耦合圆环（21）耦合入平凹腔；平凹腔所产生的输出信号经第二同轴线耦合圆环（22）耦合输出，穿过平凹腔中位于凹面镜（11）中心附近的输出能量耦合孔（121）后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪（3）。

2.根据权利要求1所述的基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，其特征在于，通过调节所述第一同轴线耦合圆环（21）和所述第二同轴线耦合圆环（22）的尺寸大小能够实现信号耦合输入能量和耦合输出能量大小的调节。

3.根据权利要求1或2所述的基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置，其特征在于，所述凹面镜或平面镜为金属材料制作或玻璃基底加表面金属化制作。

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