CN104391181A - 微波介质材料测试用高温校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波介质材料测试用高温校准装置及其校准方法，装置包括：矢量网络分析仪、分别与矢量网络分析仪连接的两套波导，每套波导包括依次连接的同轴到波导转换接头、冷却波导、高反射和直通转换波导、隔热波导、高温波导、短路板，高反射和直通转换波导中开缝插入高反射插片形成短路；校准方法包括打开测试软件，在波导开缝处控制高反射插片的插入，运行测试软件进行自动校准，测试常温下两高温波导中的反射系数S_11r空和S_22r空，测试高温下加载待测介质样品之后的S_11h和S_22h空，并对S_11h进行修正；利用进行过微波损耗修正后的S′₁₁，计算待测介质样品在温度T下的复介电常数；本装置及方法可应用于微波材料介电性能高温测试系统中，可以进一步提高测试系统的测试精度。

Description

微波介质材料测试用高温校准装置及其校准方法

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，具体涉及一种微波材料高温校准的装置及校准方法。 

背景技术

随着科学技术的发展，微波介质材料作为电磁波传输媒质广泛的应用于微波的各个领域，像卫星通信、微波通信、电子对抗、雷达导航、红外遥感、遥测等系统中，与此同时航空、航天以及军事技术发展非常迅猛，各种各样的飞行器的速度也越来越快，对高温材料的研制要求也越来越迫切，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。 

高温环境下很难得到微波材料准确的介电性能评估，并且微波材料高温测试系统所用的材料是能经受高温的钼、钨和石墨等，常规的矩形波导不能重复拆卸对其进行校准以及高温时不能对测试系统进行实时校准。矩形波导开缝主要是针对微波材料高温测试系统的校准而提出的。由于微波材料高温测试系统很难利用校准件进行校准，就无法扣除部分测试部件的影响，也就得不到很准确的材料介电性能。利用矩形波导中电磁场的分布理论，对矩形波导宽边进行开缝，并插入与缝尺寸相同的高反射插片利用步进电机控制以实现实时校准。 

如图1所示矩形波导截面在直角坐标系中的位置，矩形波导工作模式TE₁₀为主模，根据“徐锐敏，唐璞，薛正辉，雷振亚.微波技术基础.科学出版社，2009”中矩形波导主模正向波的磁场分量有： 

$H_x=a_x\frac{\mathrm{j\βa}}{\mathrm{\π}}{A}_{10}\sin \frac{\mathrm{\π}}{a}x{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---\left(1\right)$

$H_z=a_z{A}_{10}\cos \frac{\mathrm{\π}}{a}x{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---\left(2\right)$

其中，a和b分别为矩形波导的宽边和窄边，A₁₀为振幅常数，a_x和a_z分别为x轴和z轴的单位矢量，ω为角频率，β为相位常数，t为时间。根据J_s＝n×H_τ(其中H_τ为内壁附近的切线磁场)，可以得到矩形波导表面电流分布为： 

J_s|_x＝0＝a_x×H_τ|_x＝0＝a_yA₁₀e^j(ωt-βz)   (3) 

J_s|_x＝a＝-a_x×H_τ|_x＝a＝-a_yA₁₀e^j(ωt-βz)   (4) 

$J_s{|}_{y=0}=a_y\×(H_x+H_z){|}_{y=0}=-a_z\frac{\mathrm{j\βa}}{\mathrm{\π}}{A}_{10}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{a}x\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}+a_x{A}_{10}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{a}x\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---\left(5\right)$

$J_s{|}_{y=b}={-a}_y\×(H_x+H_z){|}_{y=b}=a_z\frac{\mathrm{j\βa}}{\mathrm{\π}}{A}_{10}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{a}x\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}-a_x{A}_{10}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{a}x\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---\left(6\right)$

在波导宽壁中心处，即在y＝0，y＝b，x＝a/2处，由式(5)和式(6)可以得到： 

$J_s{|}_{\stackrel{y=0}{y=b,x=a/2}}=\stackrel{-}{+}{a}_z\frac{\mathrm{j\βa}}{\mathrm{\π}}{A}_{10}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βZ})}---\left(7\right)$

根据式(7)可以得到其电流只有z轴分量，当在矩形波导宽壁中心处沿着电流方向开细缝对电流传输的影响非常的小，但当有高反射插片插入波导中时，则会将矩形波导的两个宽边连接起来了形成短路，即实现全反射。本发明的亮点就是利用以上原理提出了新型常温及高温环境下的校准技术。 

发明内容

本发明的目的是提供一种可在高温环境下工作的微波介质材料测试用高温校准装置以及一种方便、快捷、高效的校准方法，减小测试系统的测试误差，提高微波介质材料复介电常数测试系统的可重复性，同时实现测试系统的自动化测试。 

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下： 

一种微波介质材料测试用高温校准装置，包括：矢量网络分析仪、分别与矢量网络分析仪连接的两套材料和尺寸相同的波导，每套波导包括依次连接的同轴到波导转换接头、冷却波导、高反射和直通转换波导、隔热波导、高温波导、短路板，矢量网络分析仪的信号端口分别连接每个同轴到波导转换接头，高反射和直通转换波导中开缝插入高反射插片形成短路。 

作为优选方式，所述波导为高温矩形测试波导。 

本发明还提供一种利用上述校准装置的高温测试系统的校准方法，包括如下步骤： 

(1)搭建测试系统，测试系统外部由强水冷真空密封腔提供测试所需的真空及吸收多余的温度以降低除加热区外的温度，避免高温对微波电缆及微波器件的损坏，利用固态感应加热设备作为加热源以提供高温环境； 

(2)打开测试软件，设置好测试参数，在波导开缝处控制高反射插片的插入，即等效于全反射状态，运行测试软件进行自动校准； 

(3)校准完毕后，测试常温下两高温波导中的反射系数S_11r空和S_22r空，在其中一个高温波导中放入测试样品进行测试，为了测试不同温度下材料的介电性能，在每一个待测温度点测试前进行一次校准以得到更准确的介电参数； 

(4)在一高温波导中加载待测介质样品，所加载的待测介质样品厚度为d，其大小与所放入的高温波导的截面相适应，保证待测介质材料与高温波导的内壁之间无缝隙且紧靠短路 面；测试高温下加载待测介质样品之后的高温波导的反射系数S_11h和空高温波导的反射系数S_22h空，并对加载待测介质样品高温波导的反射系数S_11h进行修正；修正之后的反射系数S′₁₁为 

因加载样品的高温波导和空高温波导相同，有 

则 $S_{11}^{\′}=\left|S_{11}^{\′}\right|e^{{\mathrm{j\θ}}_{S_{11}^{\′}}}=\frac{S_{11h}}{S_{22\mathrm{rh}}}\·\frac{S_{22r}}{S_{11r}}$

(5)利用进行过微波损耗修正后的S′₁₁，计算待测介质样品在温度T下的复介电常数。 

作为优选方式，所述步骤(2)中在波导开缝处利用步进电机控制高反射插片的插入。 

如上所述，本发明具有以下有益效果：1)矩形波导宽边中心开缝校准是利用矩形波导中电磁场分布而提出的；矩形波导开缝校准具有校准精度高、校准过程简单、可实现实时校准以及可在高温环境下实现校准等优点；矩形波导开缝校准制作工艺简单、通过步进电机控制可实现测试系统的自动化校准； 

2)矩形波导开缝校准可广泛的应用于微波材料介电性能高温测试系统中。可以进一步提高测试系统的测试精度，尤其是对于微波材料高温介电性能的测试，利用矩形波导开缝校准可以进一步提高微波材料高温下介电性能的准确性。 

附图说明

图1是直角坐标系下的矩形波导截面图。 

图2是本测试装置的结构示意图。 

图3是矩形波导开缝校准件的结构原理图。 

图4是图3的三维视图。 

其中，1是矢量网络分析仪、2是同轴到矩形波导的转换接头、3是冷却波导、4是高反射和直通转换波导、5是隔热波导、6是高温矩形测试波导、7是短路板、8是高反射插片。 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 

请参见附图，本实施例提供一种微波介质材料测试用高温校准装置，包括：矢量网络分析仪1、分别与矢量网络分析仪1连接的两套材料和尺寸相同的波导，每套波导包括依次连接的同轴到波导转换接头2、冷却波导3、高反射和直通转换波导4、隔热波导5、高温矩形测试波导6、短路板7，矢量网络分析仪1的信号端口分别连接每个同轴到波导转换接头2，高反射和直通转换波导4中开缝插入高反射插片8形成短路。高反射和直通转换波导4是能实现高反射和直通功能的波导。两套波导完全一样。波导的材质是能经受高温的金属材料，形变小，可用石墨、钨、钼等。 

测试系统图如图2，高反射和直通转换波导4中插入高反射插片8形成短路，进行校准。校准完毕后，在未放置测试样品情况下，测试两套高温波导6在室温下的反射系数。设S_11r空为室温时其中一个高温波导6的反射系数，此波导以后将用于装置测试样品；S_22r空为室温时另一个高温波导6的反射系数，此波导以后作为参考波导。S_11r空和S_22r空为复数，其幅值和相位分别体现了矩形测试波导的微波损耗和长度，下标“空”表示波导中没有加载测试样品。 

将测试样品放入其中一个高温波导6中。测试高温下加样品之后矩形测试波导的反射系数和空矩形测试波导的反射系数，并对矩形高温波导6的微波参数进行实时修正。测试过程中，采用具有温控装置的加热设备对高温测试波导进行加热，控制到所需要进行测试的温度。并采用相应的冷却装置对冷却波导进行降温。 

首先设置高温测试温度，将高温矩形测试波导6加热至测试温度，然后测试该温度下的加载测试样品高温波导6和空高温波导6的反射系数，并经过隔热波导5修正后，计算得到高温测试区的S_11h。同时测试空高温波导6的反射系数，并经过隔热波导5修正后，计算得到高温测试区的S_22h空。 

在加载被测试材料高温波导6中，被测试材料端口处的反射系数，通过加载样品之后的反射系数的幅值与未加载样品，即空波导时的反射系数的幅值相比的方法来对反射系数的幅值加以修正。 

利用上述校准装置的高温测试系统的校准方法，包括如下步骤： 

(1)搭建测试系统，测试系统外部由强水冷真空密封腔提供测试所需的真空及吸收多余的温度以降低除加热区外的温度，避免高温对微波电缆及微波器件的损坏，利用固态感应加热设备作为加热源以提供高温环境； 

(2)打开测试软件，设置好测试参数，在波导开缝处利用步进电机控制高反射插片8的 插入，即等效于全反射状态，运行测试软件进行自动校准；高温真空密闭环境下用步进电机能较好的实现此功能；上述测试软件的原理和过程为公知技术，在此不再赘述。 

(3)校准完毕后，在未放置测试样品情况下，测试常温下两高温波导6中的反射系数S_11r空和S_22r空，在其中一个高温波导6中放入测试样品进行测试，为了测试不同温度下材料的介电性能，在每一个待测温度点测试前进行一次校准以得到更准确的介电参数； 

(4)在一高温波导6中加载待测介质样品，所加载的待测介质样品厚度为d，其大小与所放入的高温波导6的截面相适应，保证待测介质材料与高温波导6的内壁之间无缝隙且紧靠短路面；测试高温下加载待测介质样品之后的高温波导6的反射系数S_11h和空高温波导6的反射系数S_22h空，并对加载待测介质样品高温波导6的反射系数S_11h进行修正；修正之后的反射系数S′₁₁为 

因加载样品的高温波导6和空高温波导6相同，有 

则 $S_{11}^{\′}=\left|S_{11}^{\′}\right|e^{{\mathrm{j\θ}}_{S_{11}^{\′}}}=\frac{S_{11h}}{S_{22\mathrm{rh}}}\·\frac{S_{22r}}{S_{11r}}$

(5)利用进行过微波损耗修正后的S′₁₁，计算待测介质样品在温度T下的复介电常数。 

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (4)

1.一种微波介质材料测试用高温校准装置，其特征在于，包括：矢量网络分析仪、分别与矢量网络分析仪连接的两套材料和尺寸相同的波导，每套波导包括依次连接的同轴到波导转换接头、冷却波导、高反射和直通转换波导、隔热波导、高温波导、短路板，矢量网络分析仪的信号端口分别连接每个同轴到波导转换接头，高反射和直通转换波导中开缝插入高反射插片形成短路。

2.根据权利要求1所述的微波介质材料测试用高温校准装置，其特征在于：所述波导为高温矩形测试波导。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的校准装置的高温测试系统的校准方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)搭建测试系统，测试系统外部由强水冷真空密封腔提供测试所需的真空及吸收多余的温度以降低除加热区外的温度，利用固态感应加热设备作为加热源以提供高温环境；

(2)打开测试软件，设置好测试参数，在波导开缝处控制高反射插片的插入，即等效于全反射状态，运行测试软件进行自动校准；

(3)校准完毕后，测试常温下两高温波导中的反射系数S_11r空和S_22r空，在其中一个高温波导中放入测试样品进行测试，为了测试不同温度下材料的介电性能，在每一个待测温度点测试前进行一次校准以得到更准确的介电参数；

(4)在一高温波导中加载待测介质样品，所加载的待测介质样品厚度为d，其大小与所放入的高温波导的截面相适应，保证待测介质材料与高温波导的内壁之间无缝隙且紧靠短路面；测试高温下加载待测介质样品之后的高温波导的反射系数S_11h和空高温波导的反射系数S_22h空，并对加载待测介质样品高温波导的反射系数S_11h进行修正；修正之后的反射系数S′₁₁为

因加载样品的高温波导和空高温波导相同，有

则 $S_{11}^{\′}=\left|S_{11}^{\′}\right|e^{{\mathrm{j\θ}}_{S_{11}^{\′}}}=\frac{S_{11h}}{S_{22\mathrm{rh}}}\·\frac{S_{22r}}{S_{11r}}$

(5)利用进行过微波损耗修正后的S′₁₁，计算待测介质样品在温度T下的复介电常数。

4.根据权利要求3所述的高温测试系统的校准方法，其特征在于：所述步骤(2)中在波导开缝处利用步进电机控制高反射插片的插入。