CN104965127A - 一种微波闭式谐振腔复介电常数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微波闭式谐振腔复介电常数测量装置。含有闭式谐振腔、被测介质材料、支撑柱、耦合探针、测试电缆、矢量网络分析仪以及底座、耦合探针夹持件；其特征在于被测介质材料放置于闭式谐振腔内部的支撑柱上，耦合探针通过耦合孔伸入闭式谐振腔内，经测试电缆连接于矢量网络分析仪，闭式谐振腔固定放置于底座中部位置，耦合探针夹持件放置于底座上并分列于闭式谐振腔两侧，耦合探针固定于耦合探针夹持件上。本发明适用于低损耗和高损耗介质材料的测量。
Description
技术领域
本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种闭式谐振腔测量装置，用于实现微波介质材料复介电常数的准确测量。
背景技术
微波介质材料在航空航天、军事装备、电子通信等领域中的应用非常广泛，而介电常数是介质材料最重要的电学参数，实现介电常数的准确测量，对于各种新型介质材料的研制与实际应用具有非常重要的意义。介电常数测量方法主要分为两大类，第一类是传输线法，第二类是谐振腔法，而谐振腔法又可分为介质谐振器法、高Q腔法、微扰腔法、准光腔法等，其主要原理是将被测介质材料放入特定的测试腔体或夹具中，然后输入一定频率范围的电磁波，在某些特定的频率点上，电磁波将在测量腔体和被测介质材料中产生电磁谐振现象，通过测量其谐振频率与相应的品质因素Q值，计算得到介质材料的复介电常数值。
现有的谐振腔法存在一些缺点，例如国标GB7265.2-87中规定的介质谐振器法采用的是一种开放式谐振腔，需要依靠介质材料将电磁场进行束缚，因此主要用于测试介电常数值较高的材料， 当被测材料的介电常数值较低时，对电磁场束缚作用太小，无法完成测试。国标GB/T5597-1999中规定的高Q腔法虽然采用的是封闭式谐振腔，但是样品与谐振腔内表面直接接触，带来较大的金属表面电流损耗，影响了介电常数虚部测量。微扰法需要将被测样品材料制作成细杆壮，样品尺寸小加之采用了近似计算，造成测量准确度不高。准光腔法主要应用于频率较高的毫米波段，难以在微波频率段进行测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种微波闭式谐振腔复介电常数测量装置。
本发明的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，含有闭式谐振腔、被测介质材料、支撑柱、耦合探针、测试电缆、矢量网络分析仪以及底座、耦合探针夹持件；其特征在于被测介质材料放置于闭式谐振腔内部的支撑柱上，耦合探针通过耦合孔伸入闭式谐振腔内，经测试电缆连接于矢量网络分析仪，闭式谐振腔固定放置于底座中部位置，耦合探针夹持件放置于底座上并分列于闭式谐振腔两侧，耦合探针固定于耦合探针夹持件上。
所述的闭式谐振腔，由一个圆筒和上下两个圆盘状盖板组成。
所述的闭式谐振腔的腔体采用金属材料制作，并对金属材料表面进行镀银或者镀金处理。
所述的闭式谐振腔中的圆筒的中间位置或盖板上开有两个耦合孔，供耦合探针伸入闭式谐振腔内部进行电磁场耦合；所述的耦合孔为圆形通孔，直径略大于耦合探针直径。
所述的被测介质材料为圆柱状，放置于闭式谐振腔的支撑住上，被测介质材料位于闭式谐振腔的中部位置，被测介质材料半径与高度的尺寸为闭式谐振腔半径与高度的1/6至2/3。
所述的支撑柱，为聚四氟乙烯、石英材料；支撑柱的半径小于被测介质材料半径的1/5，其高度能够使被测介质材料达到闭式谐振腔的中间位置。
耦合探针通过闭式谐振腔上的开孔伸入谐振腔内部，调节深入长度，其结构一端为SMA、N型或APC7同轴电缆标准接头，另一端为环状耦合结构。
所述的耦合探针的结构为硬同轴线的内导体伸出后弯曲成环状，然后与外导体连接形成一个闭合环路，环面与腔体的上下底面平行。
所述的底座将闭式谐振腔和耦合探针夹持件固定于其上面；所述的耦合探针夹持件用于调节耦合探针的位置以及深入闭式谐振腔的深度。
本发明的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，通过封闭的金属腔体将电磁波束缚在腔体内，完全消除了辐射损耗的影响，通过减小腔体内部表面电流，使测量装置的无载品质因素增大，极大的提高了测量低损耗介质材料的能力，提供了一种精确求解电磁场分布的算法，具有介电常数测量范围广，测量结果准确度高的优点。
本发明能够同时实现介电常数和损耗角正切的测量，克服了开式腔辐射损耗大，金属表面电流损耗大的缺点，对于低损耗以及超低损耗介质材料的损耗角正切测量更加准确，而且量程更宽。通过采用不同尺寸的腔体进行测量，能够对实现不同频率下介质材料的测试，在一定范围内实现测试频率的调节。
附图说明
图1是本发明的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置的结构示意图之一；
图2是本发明的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置的结构示意图之二；
图3是本发明中的闭式谐振腔的结构示意图；
图4是本发明的耦合探针结构示意图；
图5是本发明的S参数测量曲线示意图；
图中：1. 微波闭式谐振腔 2.被测介质材料 3.支撑柱 4.耦合探针 5.测试电缆 6.矢量网络分析仪 7.耦合环 8.底座 9.耦合探针夹持件 10.接头 11.耦合探针外导体 12.耦合探针内导体 D.闭式谐振腔内半径 H.闭式谐振腔高度 d.介质样品半径 h.介质样品高度。
具体实施方式
本发明的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置将被测介质材料放置于闭式谐振腔内，并用支撑柱放置于腔体的中心位置，利用两根耦合探针对腔体内部的电磁场进行耦合，外接具有扫频测量功能的矢量网络分析仪测量闭式谐振腔的微波散射参数，根据测量得到的谐振频率与相应品质因素Q值，通过模式匹配法计算得到腔体内电磁场分布、相应电磁场模式、金属壁电流损耗值，最后得到介质材料复介电常数的准确解。测试系统如图1所示，主要由闭式谐振腔、被测材料、支撑柱、耦合探针、微波测试电缆、矢量网络分析仪以及附属固定装置组成。
闭式谐振腔由一个圆筒和上下两个圆盘状盖板组成，结合后形成一个封闭的圆柱体空腔，圆柱形体空腔的半径与高度的比例为0.8至1.2之间为最优，其他比例也不会影响测量功能，但是会对谐振频率模式分布有一定影响，其尺寸大小根据需要测量的频率进行选取，空腔谐振频率根据公式
计算得到，其中c为光速，D为谐振腔内径，H为谐振腔高度，加入被测材料之后，其谐振频率会降低，与被测材料的尺寸和介电常数相关，圆筒的中间位置开两个小孔供耦合探针伸入腔体内部进行电磁场耦合，也可根据腔内电磁场分布在盖板等其他位置开孔，如图2所示。闭式谐振腔采用具有优良导电性能的铜、铝等金属材料制作，将内表面进行抛光处理，并可在谐振腔内表面镀银、金等进一步提高导电性能。
耦合探针（也可称为耦合线、耦合天线）的作用是耦合闭式谐振腔内部电场，一端为SMA、N型或APC7等同轴电缆标准接头，另一端为环状耦合结构，如图4所示，耦合方式为磁耦合，其结构为硬同轴线的内导体伸出后弯曲成环状，然后与外导体连接形成一个闭合环路，环面与腔体的上下底面平行，磁场通过环路后，将被耦合并经微波电缆传输进入矢量网络分析仪（VNA）中进行测量与显示，闭合环的尺寸大小根据矢量网络分析仪测量值S21小于-25dB大于-45dB为准进行调节。
被测材料为圆柱状固体材料，由支撑柱放置于闭式谐振腔的中部位置，与谐振腔的上下表面以及侧面都不接触，被测材料半径与高度的尺寸的最优范围为谐振腔半径与高度的1/6至2/3之间，可根据介质材料的介电常数值进行选取，介电常数越大，介质材料尺寸应越小，材料尺寸超出此范围也能完成测试，但是测量准确度会有所下降。
支撑柱主要起支撑被测材料的作用，形状为圆柱形，由聚四氟乙烯、石英或其他低介电常数、低损耗的介质材料制作，在能起到固定支撑作用的前提下，半径控制在被测材料半径的1/5以下，高度以支撑被测材料到空腔的中间位置为准。
附属固定装置主要包括底座和耦合探针夹持件，谐振腔和耦合探针夹持件固定于底座上，并可增加位置调节装置用于调节耦合探针位置以及深入闭式谐振腔的深度。
电磁波经一个耦合探针进入闭式谐振腔内部后，在封闭腔体内部与被测材料中产生谐振，形成一系列具有固定电磁场分布的模式，经过另外一路耦合探针进入矢量网络分析仪测量散射参数S21值，产生谐振现象的电磁波频率点与腔体尺寸和被测材料的介电常数和尺寸相关，测量时选取准模进行测量。
计算方法基于模式匹配法结合矩量法完成，采用空腔TE0mn模作为基函数进行模式匹配。通过求解以下线性方程组：
……………………………..(2)
其中：
为被测介质材料介电常数值，、为基函数的角频率，定义内积：
………………………………………..(3)
通过求解式2的本征值解：
……………………………………..(4)
求解得到的解，为闭式谐振腔的有载谐振角频率，通过给定最大范围，结合测量得到的谐振频率，对上述步骤进行一系列迭代，最终求出被测材料介电常数值。
如图1和图2所示，本发明的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，将被测材料2放置于闭式谐振腔1内部，采用介质支撑柱3将被测材料2放置于腔体内部的中心位置，通过其中一个耦合探针4向腔体内输入微波扫频信号，微波信号在腔体内部发生谐振后通过另外一根耦合探针耦合进入矢量网络分析仪6中测量得到散射参数S21曲线，附属固定装置9用于固定耦合探针，进一步可加装滑轨或滑动杆之类位移装置，调节耦合探针进入腔体的深度，调节耦合探针的耦合量。
利用本发明对介质材料的复介电常数进行测量的具体步骤为：
步骤1：仪器开机预热，设置矢量网络分析仪中频带宽，扫频点数，频率范围等参数，按照图1、图2所示连接测试线缆；
步骤2：利用矢量网络分析仪测量空腔（闭式谐振腔内未放入被测样品与支撑柱）谐振频率f0，无载品质因素Q0值，期间需要调节耦合探针深度，使谐振峰处散射参数S21模值处于-25dB~50dB之间，然后记录f0、Q0；
步骤3：测量介质材料样品与介质支撑柱直径和高度等几何尺寸，并记录；
步骤4：将被测介质材料样品与介质支撑柱按图1图2所示放置于闭式谐振腔内，调节耦合探针深度，使谐振峰处散射参数S21模值处于-25dB~50dB之间，然后记录f、Q；
步骤5：根据所测得的腔体加载介质材料样品前后谐振频率与品质因素的变化，可计算得到介质材料介电常数与损耗角正切。
Claims (9)
1.一种微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，含有闭式谐振腔（1）、被测介质材料（2）、支撑柱（3）、耦合探针（4）、测试电缆（5）、矢量网络分析仪（6）以及底座（8）、耦合探针夹持件（9）；其特征在于被测介质材料（2）放置于闭式谐振腔（1）内部的支撑柱（3）上，耦合探针（4）通过耦合孔伸入闭式谐振腔（1）内，经测试电缆连接于矢量网络分析仪（6），闭式谐振腔固定放置于底座（8）中部位置，耦合探针夹持件（9）放置于底座（8）上并分列于闭式谐振腔（1）两侧，耦合探针（4）固定于耦合探针夹持件（9）上。
2.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的闭式谐振腔（1），由一个圆筒和上下两个圆盘状盖板组成。
3.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的闭式谐振腔的腔体采用金属材料制作，并对金属材料表面进行镀银或者镀金处理。
4.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的闭式谐振腔中的圆筒的中间位置或盖板上开有两个耦合孔，供耦合探针伸入闭式谐振腔（1）内部进行电磁场耦合；所述的耦合孔为圆形通孔，直径略大于耦合探针直径。
5.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的被测介质材料（2）为圆柱状，放置于闭式谐振腔的支撑住（3）上，被测介质材料（2）位于闭式谐振腔的中部位置，被测介质材料（2）半径与高度的尺寸为闭式谐振腔（1）半径与高度的1/6至2/3。
6.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的支撑柱（3），为聚四氟乙烯、石英材料；支撑柱（3）的半径小于被测介质材料（2）半径的1/5，其高度能够使被测介质材料（2）达到闭式谐振腔（1）的中间位置。
7.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：耦合探针（4）通过闭式谐振腔（1）上的开孔伸入谐振腔内部，调节深入长度，其结构一端为SMA、N型或APC7同轴电缆标准接头，另一端为环状耦合结构。
8.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的耦合探针（4）的结构为硬同轴线的内导体伸出后弯曲成环状，然后与外导体连接形成一个闭合环路，环面与腔体的上下底面平行。
9.根据权利要求1所述的微波闭式谐振腔复介电常数测量装置，其特征在于：所述的底座（8）将闭式谐振腔（1）和耦合探针夹持件（9）固定于其上面；所述的耦合探针夹持件（9）用于调节耦合探针（4）的位置以及深入闭式谐振腔（1）的深度。
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