CN104090171B - 具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统及方法，属于微波、毫米波材料电磁参数测试技术领域。测试装置，包括顺序连接的同轴电缆到矩形波导的转换接头、隔离器、双向耦合器、矩形波导和开孔短路板；矢量网络分析仪输出的测试信号通过信号输入同轴电缆与同轴电缆到矩形波导的转换接头相连，双向耦合器远离短路板的耦合端输出测试信号通过信号输出同轴电缆输入到矢量网络分析仪，双向耦合器靠近短路板的耦合端连接有一匹配负载。本发明提供的复介电常数测试系统能够方便地取放测试样品，减小矩形波导终端短路法测试系统的系统误差，提高测试效率和测试系统的寿命。

Description

具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统及方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波材料电磁参数测试技术领域，具体基于终端短路法的微波介质材料复介电常数测试系统及方法。

背景技术

微波介质材料作为电磁波传输媒质已广泛的应用于航天航空、微波电路、通信、导弹制导、电子对抗、隐身技术、生物医学、遥感和遥测等，因此掌握微波介质材料参数对其研发、生产和使用有着极其重大的意义。终端短路法是将待测介质材料样品填充于终端短路的传输线内，通过测试该传输线的复反射系数，计算得到样品的复介电常数。对于常规的终端短路法而言，其所采用的短路板用螺丝与矩形波导连接。基于这种方式存在以下几点：1、每次测试时都需要把短路板拆卸下来取出样品，操作不便；2、对于高温测试采用的是能经受高温的材料来制作波导、短路板和螺丝，这些材料的机械性能不好，多次拆卸后有可能会对波导和短路板造成损坏影响测试，特别是螺丝非常容易损坏；3、由于短路板是紧贴着波导，样品的尺寸和波导内壁尺寸相当，每次放入样品时在样品和短路板之间会形成空气柱，不便于样品的放入，甚至造成样品和短路板之间形成空气层，对测试结果造成很大的影响。

由于微波介质材料测试用矩形波导终端短路测试系统的矩形波导内径尺寸与样品的尺寸相同，用传统测试方法对微波介质材料进行测试时，要将样品紧靠终端短路板，当测试完一个样品时要拆下终端短路板以取出样品，然后又要将终端短路板安装到测试系统上，这样就会影响下一次样品测试的精度，因此将终端短路板开孔可以非常方便地取出样品而不拆下终端短路板，最重要的是使得终端短路测试系统的测试精度和可重复性得到提高。

发明内容

本发明针对常规终端短路材料复介电常数测试系统及方法所存在的技术问题，提供一种具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统及方法，该复介电常数测试系统及方法采用了具有开孔短路板矩形波导终端短路法测试系统，能够方便地取放测试样品，减小矩形波导终端短路法测试系统的系统误差，提高测试效率和测试系统的寿命。

本发明的技术方案如下：

具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统，如图1所示，包括顺序连接的同轴电缆到矩形波导的转换接头1、隔离器2、双向耦合器3、矩形波导4和短路板5；还包括一个矢量网络分析仪8，矢量网络分析仪8输出的测试信号通过信号输入同轴电缆与同轴电缆到矩形波导的转换接头1相连，双向耦合器3远离短路板5的耦合端输出测试信号通过信号输出同轴电缆输入到矢量网络分析仪8，双向耦合器3靠近短路板5的耦合端连接有一匹配负载7；短路板5中间区域开有通孔。

进一步的，上述具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统中，所述短路板5中间区域的通孔数量至少为一个，通孔直径以不影响短路板5作为矩形波导短路面在测试过程中满足电压为零、电流为最大值的电流回路条件为限。

进一步的，所述同轴电缆到矩形波导的转换接头1采用切比雪夫阶梯阻抗变换方式以达到同轴电缆与矩形波导之间的阻抗匹配。

上述材料复介电常数测试系统，隔离器2的作用是避免反射回来的电磁波影响信号源并且吸收一部分反射波，以进一步减小系统误差；双向耦合器3是将入射波和反射波的叠加后总的电磁波耦合一部分能量到输出端口，而输出端耦合的反射波包含有样品的复介电常数信息；矩形波导4可以使电磁波在测试系统中传播时，由于局部的不连续性而产生的高次模消失，保证了单一模式的传播；在终端接开孔短路板5方便样品的取、放，与未开孔的短路板相比最关键的是可以不用拆卸而是利用顶针就能取出样品，不会对下一个样品测试结果产生影响。

本发明的有益效果是：

1、本发明在短路板5上开孔使得测试系统使用更加方便。对待测介质样品进行测试时，由于待测样品的尺寸和波导的尺寸几乎相同，在安装待测样品时，若终端短路板不开孔，则波导中会形成封闭的腔体，很不利于待测样品的放入。

2、开孔短路板能保证待测样品能完全的紧靠矩形波导终端(短路板)，每次测试时无需要把短路板拆卸下来取出样品，尤其是高温测试时能够避免对波导、短路板或连接螺丝造成损坏，从而影响测试。

3、由于取放被测介质样品无需拆卸短路板，因此测试前的校准过程只需一次，这样也能进一步减小系统误差。

4、本发明提供的复介电常数测试系统，高温测试时，开孔短路板有利于抽真空，并且不会对被测介质样品造成损伤。

附图说明

图1是本发明提供的具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统的结构示意图。

其中，1是同轴到矩形波导的转换接头、2是隔离器、3是双向耦合器、4是矩形波导、5是开孔短路板、6是被测介质样品、7是匹配负载、8是矢量网络分析仪。

图2是实际的开孔短路板加工图。

图3是图2所示开孔短路板的三维视图。

具体实施方式

具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统，如图1所示，包括顺序连接的同轴电缆到矩形波导的转换接头1、隔离器2、双向耦合器3、矩形波导4和短路板5；还包括一个矢量网络分析仪8，矢量网络分析仪8输出的测试信号通过信号输入同轴电缆与同轴电缆到矩形波导的转换接头1相连，双向耦合器3远离短路板5的耦合端输出测试信号通过信号输出同轴电缆输入到矢量网络分析仪8，双向耦合器3靠近短路板5的耦合端连接有一匹配负载7；短路板5中间区域开有通孔。

进一步的，上述具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统中，所述短路板5中间区域的通孔数量至少为一个，通孔直径以不影响短路板5作为矩形波导短路面在测试过程中满足电压为零、电流为最大值的电流回路条件为限。

进一步的，所述同轴电缆到矩形波导的转换接头1采用切比雪夫阶梯阻抗变换方式以达到同轴电缆与矩形波导之间的阻抗匹配。

矩形波导工作模式TE₁₀为主模，填充样品后，可以在输入端得到终端短路板未开孔时的公式(1)“周清一.微波测试技术.国防工业出版社，1964”。

$\frac{\tanh (\mathrm{\γ}\·d)}{\mathrm{\γ}\·d}=\frac{1}{j\·{\mathrm{\β}}_0\·d}\left(\frac{1-j\·\mathrm{\ρ}\·tan\left({\mathrm{\θ}}_j\right)}{\mathrm{\ρ}-j\·tan\left({\mathrm{\θ}}_j\right)}\right)---\left(1\right)$

其中，γ为填充有被测介质样品波导段中的传播常数，d为被测介质样品厚度，β₀为未放有被测介质样品时的相位常数，ρ为被测介质样品段的输入驻波系数，θ_j为相位角。

$\mathrm{\ρ}=\frac{1+\left|S_{11}\right|}{1-\left|S_{11}\right|}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_j=\frac{{\mathrm{\θ}}_{S11}-(2\·n+1)\·\mathrm{\π}}{2}+2\·{\mathrm{\β}}_0\·(L-d)---\left(3\right)$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}---\left(4\right)$

λ_c＝2·a (5)

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{c}{f_0}---\left(6\right)$

γ＝α+jβ (7)

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}}---\left(8\right)$

α为衰减常数，β为相位常数，L为波导长度，a为波导长边宽度，S₁₁为反射系数，θ_S11为反射系数S₁₁的相位角，n为正整数，f₀为测试频率，c为光速，λ₀为自由空间波长，λ_c为波导截止波长，λ_g为波导波长。

矩形波导终端短路板开孔可等效为一个电感与一个电导的并联，结合(1)式的推导过程可以求得矩形波导终端开孔的输入端公式：

$\frac{1}{G\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}-j\left(\mathrm{\γ}cth\right(\mathrm{\γ}\·d)+B\mathrm{\ω}\mathrm{\μ})}=\frac{1-j\·\mathrm{\β}\·{\mathrm{tan\θ}}_j}{\mathrm{\ρ}-j\·{\mathrm{tan\θ}}_j}---\left(9\right)$

其中ω为角频率，μ为磁导率，G为等效电路的电导值，B为等效电路的电感值。对于矩形波导终端短路板开孔的等效电路中的电导值G和电感值B可以通过积分法、变分法、等效静态法、转换法、数值法和解析法等方法求解得到，因此很方便的应用于工程应用中。

由公式(9)可求得介质波导段中的传输系数γ后，由传输线方程可求得被测介质样品的复介电常数。

${\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\·\mathrm{\π}}\·\[{\left(\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2\]---\left(10\right)$

${\mathrm{tan\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{2\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}}{{\left(\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2}---\left(11\right)$

式中，ε_r′为介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。

由公式(1)～(11)可知，若已知填充样品后的复反射系数时，可计算得到材料的复介电常数。因此有：

ε_r′＝f(d,a,f₀,S₁₁,L,G,B) (12)

由以上分析可知，复介电常数的值与S₁₁的幅值和相角、波导的宽边尺寸、测试频率、样品厚度d、反射系数测试端面到介质端面的空气波导长度，而S₁₁的幅值和相角又与测试波导的微波损耗和长度相关。

具有开孔短路板的材料复介电常数测试方法，包括以下步骤：

步骤一：搭建具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统并进行反射校准，所述具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统，如图1所示，包括顺序连接的同轴电缆到矩形波导的转换接头1、隔离器2、双向耦合器3、矩形波导4和短路板5；还包括一个矢量网络分析仪8，矢量网络分析仪8输出的测试信号通过信号输入同轴电缆与同轴电缆到矩形波导的转换接头1相连，双向耦合器3远离短路板5的耦合端输出测试信号通过信号输出同轴电缆输入到矢量网络分析仪8，双向耦合器3靠近短路板5的耦合端连接有一匹配负载7；短路板5中间区域开有通孔。

步骤二：用矢量网络分析仪测试温度T下未放测试样品时测试系统的反射系数S_11r空，并记录测试数据；

步骤三：在矩形波导4中加载待测介质样品，所加载的待测介质样品厚度为d，大小与矩形波导4的截面相适应，保证待测介质样品与矩形波导4的内壁之间无缝隙且紧靠短路面；矢量网络分析仪测试温度T下样品的反射系数S_11r；

步骤四：利用步骤二和步骤三测试得到的两组数据，计算待测介质样品在温度T下的复介电常数，具体包括以下步骤：

1：计算待测介质样品波导段中的传输系数γ，具体计算过程如下：

根据公式：

$\frac{1}{G\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}-j\left(\mathrm{\γ}cth\right(\mathrm{\γ}\·d)+B\mathrm{\ω}\mathrm{\μ})}=\frac{1-j\·\mathrm{\β}\·{\mathrm{tan\θ}}_j}{\mathrm{\ρ}-j\·{\mathrm{tan\θ}}_j}$

其中：

${\mathrm{\θ}}_j=\frac{{\mathrm{\θ}}_{S11}-(2\·n+1)\·\mathrm{\π}}{2}+2\·{\mathrm{\β}}_0\·(L-d)$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}$

而f₀为矢量网络分析仪输入矩形波导4的测试信号频率；λ_c为矩形波导4在测试温度T下的截止波长，且λ_c＝2·a·(1+αl_T·T),其中：a是常温下矩形波导的宽边长，αl_T为测试温度T下测试波导材料的线性膨胀系数。由上述过程计算出被测介质样品波导段中的传输系数γ＝α+jβ。

2：计算待测介质样品的复介电常数，具体计算方法为：

${\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\·\mathrm{\π}}\·\[{\left(\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2\]$

${\mathrm{tan\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{2\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}}{{\left(\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2}$

其中ε_r′为介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。

本发明采用终端短路法终端接开孔短路板测试方法具有操作简单，测试时间短，精度高，适用于高损耗微波材料。本发明采用的是矩形波导，对于圆波导、同轴波导及其他类型的传输线，本发明的设计思想仍然适用。该发明具有很强的实用性。

以上是向熟悉本发明领域的工程人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施。自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.具有开孔短路板的材料复介电常数测试方法，包括以下步骤：

步骤一：搭建具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统并进行反射校准，所述具有开孔短路板的材料复介电常数测试系统包括顺序连接的同轴电缆到矩形波导的转换接头(1)、隔离器(2)、双向耦合器(3)、矩形波导(4)和短路板(5)；还包括一个矢量网络分析仪(8)，矢量网络分析仪(8)输出的测试信号通过信号输入同轴电缆与同轴电缆到矩形波导的转换接头(1)相连，双向耦合器(3)远离短路板(5)的耦合端输出测试信号通过信号输出同轴电缆输入到矢量网络分析仪(8)，双向耦合器(3)靠近短路板(5)的耦合端连接有一匹配负载(7)；短路板(5)中间区域开有通孔；

步骤二：用矢量网络分析仪测试温度T下未放测试样品时测试系统的反射系数S_11空，并记录测试数据；

步骤三：在矩形波导(4)中加载待测介质样品，所加载的待测介质样品厚度为d，大小与矩形波导(4)的截面相适应，保证待测介质样品与矩形波导(4)的内壁之间无缝隙且紧靠短路面；矢量网络分析仪测试温度T下样品的反射系数S₁₁；

步骤四：利用步骤二和步骤三测试得到的两组数据，计算待测介质样品在温度T下的复介电常数，具体包括以下步骤：

a：计算待测介质样品波导段中的传输系数γ，具体计算过程如下：

根据公式：

$\frac{1}{G\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}-j\left(\mathrm{\γ}cth\right(\mathrm{\γ}d)+B\mathrm{\ω}\mathrm{\μ})}=\frac{1-{\mathrm{j\ρtan\θ}}_j}{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{jtan\θ}}_j}$

其中：μ为待测介质样品磁导率；G为短路板(5)等效电路的电导值；B为短路板(5)等效电路的电感值；γ为待测介质样品波导段传播常数；

而

${\mathrm{\θ}}_j=\frac{{\mathrm{\θ}}_{S11}-(2n+1)\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\β}}_0(L-d);$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2};$

而f₀为矢量网络分析仪输入矩形波导(4)的测试信号频率；λ_c为矩形波导(4)在测试温度T下的截止波长，且λ_c＝2·a·(1+αl_T·T)；

其中：θ_S11为温度T下待测介质样品反射系数S₁₁的相位；a是常温下矩形波导(4)的宽边长，d为待测介质样品厚度，L为常温下矩形波导(4)的长度；n为正整数；αl_T为测试温度T下测试波导材料的线性膨胀系数；γ＝α+jβ；α为待测介质样品波导段传播常数γ的实部，即衰减常数；β为介质试样波导段传播常数γ的虚部，即相位常数；β₀为未放有待测介质样品时的相位常数；

b：计算待测介质样品的复介电常数，具体计算方法为：

${\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\·\mathrm{\π}}\·\[{\left(\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2\]$

${\mathrm{tan\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{2\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}}{{\left(\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2}$

其中ε′_r为介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。