CN105388363A - 高温环境下材料介电常数的获取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温环境下材料介电常数的获取系统及方法，该方法包括如下步骤：S1、不启动高温箱，对高温环境下材料介电常数的获取系统进行校准，并获取常温环境下收、发天线间的直通S参数；S2、将待测材料放入测量夹具中并利用高温箱加热使待测材料处于高温环境中，测量高温环境下待测材料的S参数，并根据常温环境下的直通S参数修正高温环境下待测材料的S参数的高温误差；S3、对高温误差修正后待测材料的S参数进行相位修正，得到传输相位修正后的待测材料的S参数；S4、根据传输相位修正后的待测材料的S参数计算并获取待测材料介电常数。本发明所述技术方案可在室温～1500℃温度范围获取准确可靠的材料介电常数。

Description

高温环境下材料介电常数的获取系统及方法

技术领域

本发明涉及一种材料介电常数的获取方法。更具体地，涉及一种高温环境下材料介电常数的获取系统及方法。

背景技术

开环天线电磁特性测试系统具有非接触、非破坏等优点，便于实现获取高温及超高温环境下材料介电常数。而在高温环境下应用于该系统的校准技术一直是高温材料测量系统中备受关注且非常复杂的问题，需要校准的内容包括网络分析仪的系统误差、天线误差、路径误差、高温箱误差及高温环境引入的误差等等，校准的效果直接决定着高温环境下获取的材料介电常数的准确可靠程度。

因此，需要提供一种高温环境下材料介电常数的获取系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温环境介电常数的空间校准方法，将基于常温开环天线校准系统获取材料介电常数应用到1500℃的高温环境，在RT(室温)～1500℃温度范围获取准确可靠的材料介电常数。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高温环境下材料介电常数的获取系统，该系统包括：

收、发天线，高温箱，测量平台，测量夹具，网络分析仪，波导校准件，空间校准件，电缆转接，数据采集及处理单元；

所述测量平台，用于固定收、发天线和高温箱，及调节收、发天线和高温箱之间的距离；

所述高温箱设置有微波窗和测量夹具槽，所述高温箱放置在收、发天线中间，收、发天线距待测材料的距离均满足远场条件，收、发天线与高温箱之间的距离要大于不受高温损害要求的最小安全距离；

所述测量夹具可插置在高温箱的测量夹具槽中，用于固定待测材料，使待测材料与收、发天线平行及中心对位；

网络分析仪，波导校准件，空间校准件，电缆转接共同用于材料介电常数的获取过程中的校准和测量；

数据采集及处理单元，用于控制着网络分析仪的自动测试和材料介电常数的计算。材料介电常数的计算方法是传输反射法在自由空间场的应用，通过测量材料的散射参数(S参数)，结合测量频率、材料厚度等参数计算得到材料介电常数。

优选地，高温箱的箱体由内至外包括内胆、保温层和外箱体三层结构。

一种基于上述系统的高温环境下材料介电常数的获取方法，该方法包括如下步骤：

S1、不启动高温箱，对高温环境下材料介电常数的获取系统进行校准，并获取常温环境下收、发天线间的直通S参数,S参数即散射参数；

S2、将待测材料放入测量夹具中并利用高温箱加热使待测材料处于高温环境中，测量高温环境下待测材料的S参数，并根据常温环境下的直通S参数修正高温环境下待测材料的S参数，得到高温误差修正后待测材料的S参数；

S3、对高温误差修正后待测材料的S参数进行相位修正，得到传输相位修正后的待测材料的S参数；

S4、基于传输反射法，根据传输相位修正后的待测材料的S参数、待测材料厚度、收、发天线的测量频率计算并获取待测材料介电常数。

优选地，步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、对高温环境下材料介电常数的获取系统进行基于SOLT或TRL校准方法的全二端口校准；

S1.2、对高温环境下材料介电常数的获取系统进行空间GRL校准，并获取常温环境下收、发天线间的直通S参数。

优选地，步骤S3中所述对高温误差修正后待测材料的S参数进行相位修正的公式为：

Ss₁₁＝S₁₁

Ss₂₁＝|S₂₁|·e^{jw(t-t_O21-t_T21)}

Ss₁₂＝|S₁₂|·e^{jw(t-t_O21-t_T21)}

Ss₂₂＝S₂₂

公式中，Ss₁₁为传输相位修正后的待测材料的输入反射系数，S₁₁为高温误差修正后待测材料的的输入反射系数，Ss₂₁为传输相位修正后的待测材料的正向传输系数，S₂₁为高温误差修正后待测材料的正向传输系数，Ss₁₂为传输相位修正后的待测材料的反向传输系数，S₂₁为高温误差修正后待测材料的反向传输系数，Ss₂₂为传输相位修正后的待测材料的输出反射系数，S₂₂为高温误差修正后待测材料的的输出反射系数，t为放入待测材料后收发天线之间的时延，t_O21为发射天线距空间校准件表面的时延，t_T21为接收天线距空间校准件表面的时延。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可在RT(室温)～1500℃温度范围获取准确可靠的材料介电常数，并且采用一套系统实现传统方法需要四套系统才能覆盖的X波段(8.2GHz～12.4GHz)、P波段(12.4GHz～18GHz)、K波段(18GHz～26.5GHz)、R波段(26.5GHz～40GHz)四个波段的测量，具有成本低、易于实现等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出高温环境下材料介电常数的获取系统示意图。

图2示出高温箱结构图。

图3示出耐火砖高温测量夹具示意图。

图4示出高温环境下材料介电常数的获取方法流程图。

图5示出GRL校准信号流图。

图6示出简化信号流图

图7示出O₂₁和T₂₁相位示意图。

图8示出高温环境下信号流图。

图9示出待测材料传输相位示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的高温环境下材料介电常数的获取系统，包括

收、发天线，高温箱，测量平台，测量夹具，网络分析仪，波导校准件，空间校准件，电缆转接，数据采集及处理单元；

收、发天线均选用波纹喇叭透镜天线，是该系统的信号接收和发射部件；

高温箱，用于生成待测材料所处的高温环境，高温箱上设置有微波窗和测量夹具槽，其中微波窗的窗口方向与在收、发天线平行及中心对位，测量夹具槽的开口方向与微波窗的窗口方向水平面成90度，高温箱放置在收、发天线中间，收、发天线距待测材料的距离均满足远场条件，收、发天线与高温箱之间的距离要大于不受高温损害要求的最小安全距离；

测量平台是整个系统的硬件主体，用于固定收、发天线和高温箱，及调节收、发天线和高温箱这三者之间的距离；

测量夹具可插置在高温箱的测量夹具槽中，用于固定待测材料，保证待测材料与收、发天线的平行及中心对位；

网络分析仪，波导校准件，空间校准件，电缆转接共同用于材料介电常数的获取过程中的校准和测量，其中网络分析仪选用Agilent公司N5225A；波导校准件选用Agilent公司P11664A；空间校准件采用铝制短路板，尺寸200mm×200mm×5mm；

数据采集及处理单元是系统的控制中心，控制着网络分析仪的自动测试和材料介电常数的计算。材料介电常数的计算方法是传输反射法在自由空间场的应用，通过测量材料的散射参数，结合测量频率、材料厚度等参数计算得到材料介电常数。

其中

高温箱的箱体由内至外包括内胆、保温层和外箱体三层结构，其中内胆采用进口陶瓷，通过磨具成型，尺寸为30cm×30cm×30cm；为了达到良好的保温效果，保温层选择10cm的保温棉；外箱体采用高温砖，并且在与微波窗配合处补充了保温层，弥补在加热过程中微波窗较薄而导致较多的热泄露。高温箱左右两侧开设微波窗口，尺寸为30cm×30cm，采用低反射特性的陶瓷作为窗户来封闭高温箱；选择可插拔测量夹具，采用进口陶瓷磨具成型，测量夹具要在时域响应无显示，且在校准和测量过程中距离发射天线的位置保持不变。高温箱结构如图2所示。测量夹具结构如图3所示。

高温箱内的加热材料选取4根硅钼棒串联连接，并对称放置在高温箱内左右两侧。这种结构有利于保证温度均匀性，也有利于待测材料的升温。由于1500℃的高温需要的加热功率较大，约为10000W，故采用精密S型铂金热电偶传感器测温，采用温控仪的温度值进行反馈，采用逻辑控制算法加优化PID算法通过调整硅钼棒的电流实现温度的可编程调节。温度参数可方便迅速调整，控温精度为1℃。控温箱可实现16段分温度梯度编程模式加热，在一次加热过程中实现多个目标温度下的测量。

如图4所示，本实施例提供的基于上述系统的高温环境下材料介电常数的获取方法，包括如下步骤：

S1、不启动高温箱，对高温环境下材料介电常数的获取系统进行校准，并获取常温环境下收、发天线间的直通S参数；

S2、将待测材料放入测量夹具中并利用高温箱加热使待测材料处于高温环境中，测量高温环境下待测材料的S参数，并根据常温环境下的直通S参数修正高温环境下待测材料的S参数，得到高温误差修正后待测材料的S参数；

S3、对高温误差修正后待测材料的S参数进行相位修正，得到传输相位修正后的待测材料的S参数；

S4、基于传输反射法，根据传输相位修正后的待测材料的S参数、待测材料厚度、收、发天线的测量频率计算并获取待测材料介电常数。

其中

步骤S1进一步包括如下子步骤：

步骤S1.1、对系统进行全二端口校准：

在如图1所示系统中收、发天线的1和2波导口处，用SOLT(Short-Open-Load-Thru)或TRL(Thru-Reflection-Line)校准方法完成全二端口校准。经该步校准后，网络分析仪的系统误差及电缆转接的连接误差被修正，参考面设置在收、发天线的1和2波导口处。

步骤S1.2、对系统进行空间GRL(GateReflectLine)校准：

将波导口1、2分别与发、收天线连接，调节好收发天线之间的距离，保证满足远场测量条件。波导口1、2到待测材料距发、收天线最近的平面之间的路径分别作为误差转接器，GRL校准的目标是确定这两个误差转接器特性，将参考面搬移至待测材料的左、右处，即图1中3、4的位置，也即待测材料距发、收天线最近的平面。

GRL校准技术需要两个校准标准：短路标准和直通标准。短路标准采用足够大的理想金属板作为短路板，将短路板放置在测量夹具处，输入短路板厚度；直通标准采用空置测量夹具，进行空间直通校准。

以下是GRL校准方法的具体过程：

用S参数描述误差转接器，如图1所示，参考面1和参考面3之间的误差转接器的S参数定义为O，分别为O₁₁、O₂₁、O₁₂、O₂₂；参考面2和参考面4之间的误差转接器的S参数定义为T，分别为T₁₁、T₂₁、T₁₂、T₂₂，系统信号流图如图5。GRL校准目标即确定O和T参数，共8个未知量。由于传输路径对称，O₂₁＝O₁₂、T₂₁＝T₁₂，误差项剩余6项，为O₁₁、O₂₁、O₂₂、T₁₁、T₂₁、T₂₂。

O₁₁和T₁₁是通过时域技术获得。首先获取O₁₁，波导口1、2经过SOLT校准后，在测量夹具处放置短路板，通过S₁₁时域波形，寻找幅度最大处即短路板位置为t₁。空置测量夹具，测量S₁₁时域，将时域门设置为[0，t₁]，门里包含的频域响应即为从天线端面至测量夹具处的反射O₁₁。同理将S₂₂取代S₁₁，在测量夹具处放置短路板(与测量O₁₁的位置相同)，通过S₂₂时域波形，寻找幅度最大处即短路板位置为t₂。空置测量夹具，测量S₂₂时域，将时域门设置为[0，t₂]，门里包含的频域响应即为从天线端面至测量夹具处的反射T₁₁。将O₁₁和T₁₁嵌入原始的两端口校准，信号流图变为如图6所示，即天线从1端口和2端口往测量夹具看进去的反射参数计算公式为：

Γ₁＝S₁₁-O₁₁(1)

Γ₂＝S₂₂-T₁₁(2)

式(1)、(2)中，

Γ₁为1端口从天线往测量夹具看进去的反射系数；

Γ₂为2端口从天线往测量夹具看进去的反射系数；

S₁₁为经SOLT校准后，网络分析仪从1位置测得的反射系数；

S₂₂为经SOLT校准后，网络分析仪从2位置测得的反射系数。

这时误差转接器剩余4项误差，分别为O₂₁、O₂₂、T₂₁、T₂₂，通过测量反射标准和直通标准来获得这四项误差。

反射标准是一个厚度已知的理想金属板，其尺寸相对于测量波长来说足够大可认为空间全反射。反射标准可描述为S₁₁＝S₂₂＝-1，S₂₁＝S₁₂＝0，进而得到式(3)和(4)：

Γ_{Plate_1}＝O₂₁O₁₂/(1+O₂₂)(3)

Γ_{Plate_2}＝T₂₁T₁₂/(1+T₂₂)(4)

直通标准是空置测量夹具时空气填充状态。在理想空间传播途径，认为传输途径是连续匹配的，无反射；传输无损耗，只有相位搬移，搬移量是由于直通标准的长度所决定。用A表示直通标准的S参数，A₁₁＝A₂₂＝0，其中ω为测量频率、ε和μ为空气的介电常数和磁导率、d为直通标准的长度，等于短路板的厚度，得式(5)和式(6)：

Γ_{air_1}＝A₂₁A₁₂O₂₁O₁₂T₂₂/(1-O₂₂T₂₂)(5)

Γ_{air_2}＝A₂₁A₁₂T₂₁T₁₂O₂₂/(1-O₂₂T₂₂)(6)

式(3)～(6)中，设y₁＝O₂₁＝O₁₂，y₂＝O₂₂，y₃＝T₂₁＝T₁₂，y₄＝T₂₂。为了便于计算，A₂₁A₁₂已知，用e表示，可求得：

$O_{21}=O_{12}=\frac{\sqrt{y_1{y}_2(y_3-{\mathrm{ey}}_1)({\mathrm{ey}}_1{y}_2-y_1{y}_4-y_2{y}_3)}}{{\mathrm{ey}}_1{y}_2-y_2{y}_3}---\left(7\right)$

$O_{22}=\frac{-y_1{y}_4}{y_2({\mathrm{ey}}_1-y_3)}---\left(8\right)$

$T_{21}=T_{12}=\frac{\sqrt{y_1{y}_2(y_4-{\mathrm{ey}}_2)({\mathrm{ey}}_1{y}_2-y_1{y}_4-y_2{y}_3)}}{{\mathrm{ey}}_1{y}_2-y_1{y}_4}---\left(9\right)$

$T_{22}=\frac{-y_2{y}_3}{y_1({\mathrm{ey}}_2-y_4)}---\left(10\right)$

通过上述推导得到O₂₁、O₁₂、O₂₂、T₂₁、T₁₂、T₂₂。但此时得到的O₂₁、O₁₂和T₂₁、T₁₂不能直接用于误差修正，这是因为时域门的应用使得传输路径的相位产生了非线性误差，相位需要通过时域路径来确定。

如图7所示，t₁和t₂在获取O₁₁和T₁₁已确定。假设校准用短路板厚度为lshort，O₂₁时延为t_O₂₁＝t₁/2-lshort/(2c)，T₂₁时延为t_T₂₁＝t₂/2-lshort/(2c)。则各相位的计算公式为：

P(O₁₂)＝P(O₂₁)＝e^{jw(t1/2-lshort/(2c))}(11)

P(T₁₂)＝P(T₂₁)＝e^{jw(t2/2-lshort/(2c))}(12)

式中：t₁为短路板相对于参考面1的位置，单位为秒，s；

t₂为短路板相对于参考面2的位置，单位为秒，s；

lshort为短路板厚度，单位为米，m。

至此误差转接器的O和T已全部确定，空间GRL校准过程全部完成。经过GRL校准，天线、夹具等误差被修正，参考面从波导口1和2搬移到了校准用短路板面3和4。

步骤S2的具体过程为：

将待测陶瓷材料(200mm×200mm×5mm)放置在测试夹具上，启动高温箱，设置目标温度；

随着温度升高，天线路径、测量夹具等不可避免产生误差，将测量系统随温度变化的误差用矩阵H描述，高温信号流图如图8所示。

待稳定在目标温度后，采集并计算得到目标温度下被测样品的S参数；

网络分析仪S测量结果是以位置1和2为参考面。高温时从参考面1和2测得的S参数与相同设置常温时获得的S参数相比，误差是由于高温所引入的，可通过高温和常温状态的比对测量获取高温误差矩阵H。

常温时空置测量夹具，网络分析仪测得的S参数，对应T参数记作T；高温下，其余设置条件与常温相同，网络分析仪测的S参数记作S′，对应T参数记作T′。由如图8中信号流图所示的网络级联连接可得到如下公式：

T′＝HT×T(13)

$\left[\begin{array}{cc}{T}_{11}^{\′}& T_{12}^{\′}\\ T_{21}^{\′}& T_{22}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{HT}}_{11}& {\mathrm{HT}}_{12}\\ {\mathrm{HT}}_{21}& {\mathrm{HT}}_{22}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right]---\left(14\right)$

从上式可求得HT₁₁、HT₁₂、HT₂₁、HT₂₂，如下式所示。将HT转换成S参数即得到高温误差矩阵H。通过上述方法分别确定RT、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃和1500℃各个温度点高温误差网络，在测量过程中给予修正扣除(1000℃温度时介电常数测量结果为9.09～9.30)。

高温箱中放入待测材料升至目标温度后，网络分析仪测得的S参数记作Sm，对应T参数为Tm，待测材料在目标温度下的T矩阵计算公式为：

T＝O^-1·Tm·HT^-1·T^-1(15)

将T矩阵转换成S参数用于电磁参数的计算。

步骤S3的具体过程为：

在得到高温误差修正后待测材料的S参数后还需要对其中的正向传输系数S₂₁的相位进行处理。当待测材料放入测量夹具，通过S₂₁时域波形确定最大幅度值对应的位置，即为1和2之间的距离，记为t，如图9所示，这时S₂₁的延时为：

tsample＝t-t_O₂₁-t_T₂₁(16)

同理，参照以上方法对反向传输系数S₁₂的相位进行处理。

则最终待测材料的S参数Ss的计算公式如下：

Ss₁₁＝S₁₁(17)

Ss₂₁＝|S₂₁|·e^{jw(t-t_O21-t_T21)}(18)

Ss₁₂＝|S₁₂|·e^{jw(t-t_O21-t_T21)}(19)

Ss₂₂＝S₂₂(20)

公式中，Ss₁₁为传输相位修正后的待测材料的输入反射系数，S₁₁为高温误差修正后待测材料的的输入反射系数，Ss₂₁为传输相位修正后的待测材料的正向传输系数，S₂₁为高温误差修正后待测材料的正向传输系数，Ss₁₂为传输相位修正后的待测材料的反向传输系数，S₂₁为高温误差修正后待测材料的反向传输系数，Ss₂₂为传输相位修正后的待测材料的输出反射系数，S₂₂为高温误差修正后待测材料的的输出反射系数，t为放入待测材料后收发天线之间的时延，t_O21为发射天线距空间校准件(短路板)表面的时延，t_T21为接收天线距空间校准件(短路板)表面的时延。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种高温环境下材料介电常数的获取系统，其特征在于，该系统包括：

收、发天线，高温箱，测量平台，测量夹具，网络分析仪，波导校准件，空间校准件，电缆转接，数据采集及处理单元；

所述测量平台，用于固定收、发天线和高温箱，及调节收、发天线和高温箱之间的距离；

所述高温箱设置有微波窗和测量夹具槽，所述高温箱放置在收、发天线中间，收、发天线距待测材料的距离均满足远场条件，收、发天线与高温箱之间的距离要大于不受高温损害要求的最小安全距离；

所述测量夹具可插置在高温箱的测量夹具槽中，用于固定待测材料，使待测材料与收、发天线平行及中心对位；

网络分析仪，波导校准件，空间校准件，电缆转接共同用于材料介电常数的获取过程中的校准和测量；

数据采集及处理单元，用于控制着网络分析仪的自动测试和材料介电常数的计算，材料介电常数的计算方法是传输反射法在自由空间场的应用，通过测量材料的S参数，结合测量频率、材料厚度计算得到材料介电常数。

2.根据权利要求1所述的高温环境下材料介电常数的获取系统，其特征在于，所述高温箱的箱体由内至外包括内胆、保温层和外箱体三层结构。

3.一种基于权利要求1所述系统的高温环境下材料介电常数的获取方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、不启动高温箱，对高温环境下材料介电常数的获取系统进行校准，并获取常温环境下收、发天线间的直通S参数；

S2、将待测材料放入测量夹具中并利用高温箱加热使待测材料处于高温环境中，测量高温环境下待测材料的S参数，并根据常温环境下的直通S参数修正高温环境下待测材料的S参数，得到高温误差修正后待测材料的S参数；

S3、对高温误差修正后待测材料的S参数进行相位修正，得到传输相位修正后的待测材料的S参数；

S4、基于传输反射法，根据传输相位修正后的待测材料的S参数、待测材料厚度、收、发天线的测量频率计算并获取待测材料介电常数。

4.根据权利要求3所述的高温环境下材料介电常数的获取方法，其特征在于，步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、对高温环境下材料介电常数的获取系统进行基于SOLT或TRL校准方法的全二端口校准；

S1.2、对高温环境下材料介电常数的获取系统进行空间GRL校准，并获取常温环境下收、发天线间的直通S参数。

5.根据权利要求4所述的高温环境下材料介电常数的获取方法，其特征在于，步骤S3中所述对高温误差修正后待测材料的S参数进行相位修正的公式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Ss}}_{11}=S_{11}\\ {\mathrm{Ss}}_{21}=\left|S_{21}\right|\·e^{jw(t-t\_O21-t\_T21)}\\ {\mathrm{Ss}}_{12}=\left|S_{12}\right|\·e^{jw(t-t\_O21-t\_T21)}\\ {\mathrm{Ss}}_{22}=S_{22}\end{array}$

公式中，Ss₁₁为传输相位修正后的待测材料的输入反射系数，S₁₁为高温误差修正后待测材料的的输入反射系数，Ss₂₁为传输相位修正后的待测材料的正向传输系数，S₂₁为高温误差修正后待测材料的正向传输系数，Ss₁₂为传输相位修正后的待测材料的反向传输系数，S₂₁为高温误差修正后待测材料的反向传输系数，Ss₂₂为传输相位修正后的待测材料的输出反射系数，S₂₂为高温误差修正后待测材料的的输出反射系数，t为放入待测材料后收发天线之间的时延，t_O21为发射天线距空间校准件表面的时延，t_T21为接收天线距空间校准件表面的时延。