CN105486932A - 一种180度混合环介电常数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种180度混合环介电常数测量装置，本发明的技术方案是，一种180度混合环介电常数测量装置，包括一个共面波导结构的宽带3dB180度混合环，宽带3分贝180度混合环的两个输出端口各加载一段终端开路的传输线，该器件是两端口网络，并包含两条支路即测试支路和参考支路。所述的测量装置的两个输出端口之间采用宽带180度移相器相连；所述的参考支路和测试支路上设置有参考区和测量区，且终端开路传输线均为共面波导传输线。发明可以实现宽带和在线测量，具有广泛的实用性。

Description

一种180度混合环介电常数测量装置

技术领域：

本发明涉及微波测量领域，特别涉及采用180⁰混合环结构，通过获取测量系统的散射参数并加以计算，对未知材料的介电常数进行测量的装置。

背景技术：

近年来，微波技术的应用在通信，雷达，电磁兼容，食品化工及医药化工等领域获得了长足的发展。无论从理论上还是微波工程应用上来说，介电常数都是影响电磁场与物质相互作用的主要因素。如在医药化工、食品化工及微波化学等领域，化学溶液的介电特性是化学反应过程中最为重要的参量，因此对溶液介电常数的宽带测量与计算就显得非常重要。目前，介电常数的测试方法主要有接触式和非接触式，接触式如传输/反射法，非接触式主要有谐振腔，自由空间法等。传输/反射法因其结构简单成本低廉而在微波测量中应用十分广泛，随着微波技术的不断发展，各种提高测试传输/反射法灵敏度的技术不断被提出，如采用灵敏度更高的共面波导和槽线等。现有技术中的一种传输/反射法的介电常数测量装置，其技术方案是利用槽线的传输特性，测量液体和固体粉末状物质的介电常数。该方案在槽线结构中设置有孔洞，盛放被测材料的容器被放置于孔洞中，利用被测介质对微波传输特性的影响获得其介电常数，该方法对容器的横截面大小及液面的高度有较高的要求，具有良好的测试效果，但在感知待测物介电常数微弱差异时存在局限性。

发明内容

本发明是基于宽高灵敏度的目的提供一种结构合理、测量效果好的180度混合环介电常数测量装置。

本发明的技术方案是，提供一种新型介电常数测量装置，主要包括一个共面波导结构的宽带3dB180度混合环，其特征在于：宽带3分贝180度混合环的两个输出端口各加载一段终端开路的传输线，该器件是两端口网络，并包含两条支路即测试支路和参考支路。所述的测量装置的两个输出端口之间采用宽带180度移相器相连；所述的参考支路和测试支路上设置有参考区和测量区，且终端开路传输线均为共面波导传输线。

本发明在测试介质介电常数方面有明显的优势，其灵敏度高，可敏感感知两支路的微弱信号变化。测试装置简单，频带宽，无需设计复杂的通道，无需任何参考物。该专利可实现块状固体，液体及粉末状固体物质介电常数宽带测量。整个装置采取了镀金处理，对被测物放置的具体位置一般也无严格的限制，操作方便灵活。本发明可以实现宽带和在线测量，具有广泛的实用性。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明所述的宽带180度移相器的结构示意图，

图3是空载及负载情况下测得的，

图4是空载及负载情况下测得的。

具体实施方式：

结合附图详细描述实施例，

本实施例是，在宽带180度混合环的两个输出端口各加载一段开路传输线，则本发明提出的测试装置上有1和2两个端口，并包含两条支路即参考支路和测试支路；且两个输出端口之间由宽带180度移相器相连；加载的两端开路传输线为共面波导，且两条支路上分别设置有参考区和测量区。本发明的技术方案是在测试支路上放置测试物，利用被测材料对微波传输性能的影响，通过分析放置被测材料前后的传输特性得到其介电常数。为改变180度混合环基本结构对中心频率的敏感性，特用宽带180⁰移相器代替四分之三波长的传输线。具体结构如图1所示，1和3部分为阻抗为50欧姆的共面波导；2部分为阻抗为，长度为的共面波导(是中心频率对应的波长)，为减小反射，2部分的直角拐弯处焊接了空气桥；4和5分别为测试支路和参考支路，其为阻抗50的共面波导传输线，6部分为宽带180⁰移相器，其具体结构如图2所示；测量区和参考区分别位于测量支路和参考支路上。为提高装置的工作性能，在各拐角部分都焊接了引线7。

研究表明，采取两支路相比较的测试方法。即一条为参考支路，其上放置参考材料；另一条为测试支路，其上放置被测材料。通过参考物与被测物相同和不同两种情况下散射参数的对比，进而获得被测材料的介电常数，可大幅度提高整个测试系统的灵敏度。因为两支路的微小差异即可敏感地影响测试器件的散射参数。且对于将介质放置于传输线之上的测试方法而言，共面波导传输线的灵敏度高于微带线，因其中间导带与地处于同一平面，故共面波导传输线周围的场对介质的感应度更高。本发明提出的测试装置正是基于两支路相比较的测试理念进行设计的，且采用共面波导传输线构造。

测试过程中，本发明提出的装置的两个端口分别于矢量网络分析仪相连，信号由端口1输入并按相同的功率分配到两条支路上。理想情况下（空载），端口2为隔离端口，没有信号输出。两支路之间有180度相差，该相差由宽带180度移相器决定。当测量区放上待测物（负载），两支路原有的平衡被打破，这必然造成两支路反射信号不同，从而影响测试装置的两端口散射参数。而负载情况下的信号包含由待测物的信息，本发明正是利用被测材料对微波传输性能的影响，通过分析空载和负载时测试装置的散射参数信息推导待测物的介电常数。

具体地，空载情况下(两支路均不放置任何材料)，从端口1输入的信号分别对等地分配给两个输出端口，这两个端口之间有180度相移，由于两个输出端口均加载开路传输线，因此两路上相反的信号被反射到端口1和2。当测试支路放上被测材料时（负载），根据微波传输特性，两路上反射的信号将发生变化，此时端口1和2的散射参数也将发生变化。本发明正是通过空载和负载情况下，两支路反射信号的变化引起的端口1和2的散射参数的变化来获得被测材料的介电常数。且从空载和负载情况下端口1和2的散射参数的变化推导被测材料的介电常数。该发明设备简单，操作方便，灵敏度高；对测量区和参考区无特别的要求，只要在两支路上即可；无需复杂的去嵌入和其它介电常数提取的算法；非常适合块状固体，液体和固体粉末状物质介电常数测量；且对加工的装置采取了镀金处理，对于腐蚀性液体也可进行测试。

对块状固体可直接放置于测量支路上，此时参考物选择空气最便于测试；对于液体或者固体粉末，需用导电胶粘贴盛放被测物的容器，为计算方便，此时也需在参考支路上粘贴同样的容器以保持对称性，便于介电常数的计算，一般选择直径与测量区和参考区尺寸合适的塑料管作为盛放被测物的容器。

以块状固体特氟龙(Teflon)，聚丙烯(pp)，聚氯乙烯(PVC)，环氧玻(FR-4)和美国雅龙(AD1000)为测试物，不选择参考物（即参考物为空气）时，探测的散射参数信息如图3和4所示。

结果表明，本发明提出的方法灵敏度高，频带宽，且后续待测物介电常数计算仅需相应的散射参数的幅度信息。因此该发明装置简单，频带宽，测试方便，对测量区和参考区无特殊要求，便于实现高灵敏度宽带及小型化测试。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此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内。

Claims (2)

1.一种180度混合环介电常数测量装置，包括一个共面波导结构的宽带3dB180度混合环，其特征在于：宽带3分贝180度混合环的两个输出端口各加载一段终端开路的传输线，该器件是两端口网络，并包含两条支路即测试支路和参考支路。

2.如权利要求1所述的一种180度混合环介电常数测量装置，其特征在于：所述的测量装置的两个输出端口之间采用宽带180度移相器相连；所述的参考支路和测试支路上设置有参考区和测量区，且终端开路传输线均为共面波导传输线。