CN103983858B - 低损耗材料介电特性的高精度宽带测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了低损耗材料介电特性的一种高精度宽带测试方法，适用于一分体式圆柱谐振腔，该分体式圆柱谐振腔的两个法兰盘构成径向波导，将被测材料夹在两个半腔体之间进行测试，测试模式为：TE₀₁₁、TE₁₁₁、TE₂₁₁、TE₃₁₁、TE₄₁₁、TE₅₁₁、TE₆₁₁、TE₇₁₁、TE₈₁₁、TE₉₁₁；利用测试模式谐振频率与介电常数的约束关系，基于递推方法实现各个测试模式的识别，并计算出各测试模式谐振频率处被测材料的介电常数。同时，利用各测试模式的品质因数与材料损耗的关系，计算出各测试模式谐振频率处的材料损耗。由此，测得材料在多个频点的介电特性。

Description

低损耗材料介电特性的高精度宽带测试方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及低损耗材料介电特性的一种高精度宽带测试方法。

背景技术

微波电路、微波部件等的设计、制作都需要事先精确知道所用材料的介电特性，因此材料电磁特性测量技术在微波工程领域中扮演着重要角色。低损耗电介质材料是微波工程领域应用非常广泛的一类材料，如应用于微带电路的各类基片、应用于天线罩的介质板材等均属于低损耗材料。随着这类材料宽带应用的不断增多，它们的宽频带介电特性越来越成为微波工程领域的现实需求。

低损耗材料介电特性测试方法可以分为宽带方法和窄带方法两大类。前者有传输线法、终端开路法等，这些方法可以实现材料介电特性的宽频带测试，但对于低损耗材料，这类方法测量精度不高，不能满足工程需求。后者为各种谐振腔方法，如矩形谐振腔法、圆柱谐振腔法，这类方法具有较高的测试精度，但一般只能实现点频测量，不能满足宽带需求。

谐振腔方法一般采用封闭腔体，对被测样品的尺寸、形状要求极为严格、苛刻，因为样品尺寸或形状的微小偏差可导致较大的测量误差。因此，谐振腔方法的样品制备一般非常麻烦和困难。为此，在封闭谐振腔基础上又发展出一种开腔式方法，分体式圆柱谐振腔法属于此类方法，这种方法具有测量精度高、样品制备简单方便等优点，并可以实现非破坏、在线测量。分体式圆柱谐振腔法的谐振腔由两个完全相同的半圆柱形腔体组成，如图1所示，两个法兰盘构成径向波导，测量时，将样品夹在两个半腔体之间。目前，分体式圆柱谐振腔法采用TE₀₁₁模式作为测试模式。由于只能采用TE₀₁₁模式进行测试，因此与其它谐振方法类似，也只能实现点频测量，这是这种方法的主要不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是低损耗材料介电特性的高精度、宽频带测试问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

低损耗材料介电特性的一种高精度宽带测试方法，适用于一分体式圆柱谐振腔，该分体式圆柱谐振腔的两个法兰盘构成径向波导，将被测材料夹在两个半腔体之间进行测试，测试模式为：TE₀₁₁、TE₁₁₁、TE₂₁₁、TE₃₁₁、TE₄₁₁、TE₅₁₁、TE₆₁₁、TE₇₁₁、TE₈₁₁、TE₉₁₁；

利用递推法实现模式识别，具体包括以下步骤：

第一个谐振峰为主模，先根据主模的谐振频率，利用测试模式的谐振频率与介电常数约束关系计算出主模的谐振频率处材料的介电常数；

接下来，利用计算出的介电常数以及测试模式的谐振频率与介电常数约束关系，计算出第二个模式谐振频率的估计值，在估计值附近找到第二个模式的谐振峰，完成第二个模式的识别；

利用上述方法完成余下测试模式的识别，逐一找到所用测试模式的谐振峰，并利用测试模式的谐振频率与介电常数约束关系以及测试模式下的材料损耗与品质因数的关系，逐一计算出被测材料在各谐振频点的介电常数和损耗正切，测得材料在多个频点的介电特性；

利用数值拟合技术对测试结果进行拟合，获得被测材料在拟合频带内任一频点处的介电特性。

可选地，拟合处理时，将测试模式的最低谐振频率作为拟合频带的低端，将测试模式的最高谐振频率作为拟合频带的高端。

本发明的有益效果是：

(1)既有很高的测量精度，又能实现宽频带测量，从而满足实际工程需求；

(2)单个腔体的频率覆盖范围可达两个倍频程，介电常数测量精度在1％以内，损耗正切的测量精度优于10^-4。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为分体式圆柱谐振腔的结构示意图；

图2为本发明低损耗材料介电特性的高精度宽带测试方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，关于低损耗材料介电特性的测试，宽带测试方法精度较差；谐振腔类方法虽然有较高的测试精度，但一般只能进行点频测量，如现有分体式圆柱谐振腔技术采用单一模式即TE₀₁₁模式测试低损耗材料介电特性，因此只能测得材料在某个频点的介电特性，而无法获得材料的宽频带介电特性。

本发明的目的是提供一种低损耗材料介电特性的高精度宽带测量方法，设法利用分体式圆柱谐振腔的多个TE模式测试材料的介电特性，这样可获得材料在多个频点的介电常数；然后，基于数值拟合技术，获得材料宽频带内任意频点的介电特性。该方法既有很高的测量精度，又能实现宽频带测量，从而满足实际工程需求。

其中，利用多个TE模式测试材料的介电特性是关键。本发明的方法基于图1所示分体式圆柱谐振腔，该分体式圆柱谐振腔的两个法兰盘构成径向波导，将被测材料夹在两个半腔体之间进行测试，选择的具体测试模式为：TE₀₁₁、TE₁₁₁、TE₂₁₁、TE₃₁₁、TE₄₁₁、TE₅₁₁、TE₆₁₁、TE₇₁₁、TE₈₁₁、TE₉₁₁，共10个模式。

可以通过设计谐振腔的耦合结构，抑制TM模式的振荡，只激励TE模式的振荡。本发明利用递推法实现模式识别，如图2所示，具体包括以下步骤：主模容易识别，总是为第一个谐振峰，因此先根据主模的谐振频率，利用测试模式的谐振频率与介电常数约束关系计算出被测材料的介电常数；

接下来，利用计算出的介电常数以及测试模式的谐振频率与介电常数约束关系，计算出第二个模式谐振频率的估计值，材料的介电常数是频率的函数，但相邻模式的谐振频率相差不大，因此介电常数变化不大，所以利用相邻模式的介电常数测量结果估计出的谐振频率与实际值比较接近，在估计值附近可找到第二个模式的谐振峰，即完成了第二个模式的识别；

利用上述方法完成余下测试模式的识别，逐一找到所用测试模式的谐振峰，并利用测试模式的谐振频率与介电常数约束关系以及测试模式下的材料损耗与品质因数的关系，逐一计算出被测材料在各谐振频点的介电常数和损耗正切，测得材料在多个频点的介电特性；

利用数值拟合技术对测试结果进行拟合，获得被测材料在拟合频带内任一频点处的介电特性。拟合处理时，通常将测试模式的最低谐振频率作为拟合频带的低端，将测试模式的最高谐振频率作为拟合频带的高端。

上述方法中，利用测试模式谐振频率与介电常数的约束关系，已知测试模式的谐振频率，可计算出材料的介电常数；或已知材料的介电常数，可计算出测试模式的谐振频率。而且，利用测试模式下的材料损耗与品质因数的关系，可以计算测试模式下材料损耗。利用递推法实现模式识别，测得材料在多个频点的介电特性。

上述方法中，波导中的电磁场按照它是否具有电磁场的纵向分量，可以分为不同的模式。其中，TE模式(横电波)是指电磁场纵向分量只有磁场，即电场的纵向分量为零；TM模式(横磁波)，是指电磁场纵向分量只有电场，即磁场的纵向分量为零。本发明所涉及的分体圆柱谐振腔可认为是一段两端封闭的圆波导。

对于实际观测到的一组离散数据，往往希望用一连续函数来描述量y与x间的依赖关系。为此，首先选择与数据的变化规律相适应的适当函数型式y＝f(x，c₁，c₂，…c_n)。其中，c₁，c₂，…，c_n为待定参数。然后基于某种准则(如最小二乘法)，确定出函数中的参数c₁，c₂，…，c_n。上述过程即为数值拟合。

本发明的低损耗材料介电特性的高精度宽带测量方法既有很高的测量精度，又能实现宽频带测量，从而满足实际工程需求；单个腔体的频率覆盖范围可达两个倍频程，介电常数测量精度在1％以内，损耗正切的测量精度优于10^-4。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.低损耗材料介电特性的高精度宽带测试方法，其特征在于，适用于一分体式圆柱谐振腔，该分体式圆柱谐振腔的两个法兰盘构成径向波导，将被测材料夹在两个半腔体之间进行测试，测试模式为：TE₀₁₁、TE₁₁₁、TE₂₁₁、TE₃₁₁、TE₄₁₁、TE₅₁₁、TE₆₁₁、TE₇₁₁、TE₈₁₁、TE₉₁₁；

利用递推法实现模式识别，具体包括以下步骤：

第一个谐振峰为主模，先根据主模的谐振频率，利用测试模式的谐振频率与介电常数约束关系计算出主模谐振频率处材料的介电常数；

接下来，利用计算出的介电常数以及测试模式的谐振频率与介电常数约束关系，计算出第二个模式谐振频率的估计值，在估计值附近找到第二个模式的谐振峰，完成第二个模式的识别；

利用上述方法完成余下测试模式的识别，逐一找到所用测试模式的谐振峰，并利用测试模式的谐振频率与介电常数约束关系以及测试模式下的材料损耗与品质因数的关系，逐一计算出被测材料在各谐振频点的介电常数和损耗正切，测得材料在多个频点的介电特性；

利用数值拟合技术对测试结果进行拟合，获得被测材料在拟合频带内任一频点处的介电特性。

2.如权利要求1所述的低损耗材料介电特性的高精度宽带测试方法，其特征在于，拟合处理时，将测试模式的最低谐振频率作为拟合频带的低端，将测试模式的最高谐振频率作为拟合频带的高端。