CN105929247B - 一种介电常数四端口测量装置 - Google Patents

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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2688—Measuring quality factor or dielectric loss, e.g. loss angle, or power factor

Abstract

本发明公开了一种介电常数四端口测量装置，它由两个相同的宽带3dB定向耦合器组成，并包括四个端口，分别是输入端口、耦合端口、输出端口及隔离端口；输入端口、耦合端口采用共面波导传输线，隔离与输出端口采用槽线；各输入/耦合端口与隔离/输出端口之间采用耦合共面波导过度；两个定向耦合器的输出与隔离端口由U形槽线相连接；连接两个输出端口的U形槽线称之为传输线路，此处是整个装置中电场最强的地方，待测物将放在传输线路上；为提高测试灵敏度，在装置各不连续的地方焊接空气桥。本发明可以实现宽带和在线测量，具有广泛的实用性。

Description

一种介电常数四端口测量装置
技术领域：
本发明涉及介电常数测量装置，特别是一种宽带介电常数四端口测量装置。
背景技术：
随着射频技术，无线通信技术的蓬勃发展，微波能的应用被推向了更为广阔的天地。而 介电常数测量即在广阔的频域内，获取介质材料的介电常数，是微波能应用的重要分支。因此材料的介电特性测量在工业，电磁兼容，生物医学，材料工程等领域扮演着重要的角色。通常情况下，材料的介电常数无法直接测量，只能通过测量与其有关的其它参量（如散射参数）来获得，同时还需建立介质的介电常数与可测量（散射参数）之间的关系来提取其介电常数。目前介电常数测试方法主要有传输/反射法，自由空间法，谐振腔法等。传输/反射法 应用最为广泛，论文“开口同轴探头同时测量复电磁参数技术理论研究与实践”系统地论述了传输/反射法（同轴探头）对材料的复电磁特性测量技术，取得了良好的效果，但是面临着灵敏度不足和后期介电常数提取的多值问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种结构合理、测试方便的宽带介电常数四端口测量装置。
本发明的技术方案是，一种介电常数四端口测量装置，其特征在于：它由两个相同的宽带3dB定向耦合器组成，并包括四个端口，分别是输入端口、耦合端口、输出端口及隔离端口；输入端口、耦合端口采用共面波导传输线，隔离与输出端口采用槽线；各输入/耦合端口与隔离/输出端口之间采用耦合共面波导过度；两个定向耦合器的输出与隔离端口由U形槽线相连接；连接两个输出端口的U形槽线称之为传输线路，此处是整个装置中电场最强的地方，待测物将放在传输线路上；为提高测试灵敏度，在装置各不连续的地方焊接空气桥。
本发明在测试介质介电常数方面有明显的优势，四端口测试可获取更多待测物的信息，为后续介电常数的提取提供更多的依据，避免多值问题；测试灵敏度高，测试装置可敏感探知待测物的微小扰动引起的四端口散射参数的变化；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是本发明空载时四个端口的散射参数S11、S21、S31及S41；
图3是本发明负载时端口1反射系数(S11);
图4是本发明负载时端口2的传输系数(S21);
图5是本发明负载时端口3的传输系数(S31);
图6是本发明负载时端口4的传输系数(S41);
注：空载指的是整个测试装置上不放置任何待测物；负载指的是在测试装置上放上待测物，即特氟龙（teflon）,美国雅龙（AD1000）, FR-4环氧玻纤板（FR4-epxon）。
具体实施方式：
本发明的测试装置如图1所示，其包括四个端口，Port1、 port2、 port3及 port4分别是输入端口、耦合端口、输出端口及隔离端口。整个装置由两个相同的定向耦合器组成，定向耦合器的输入及耦合端口采用共面波导传输线1；λg/4(λg为测试装置的中心波长)部分采用耦合共面波导传输线2及扇形辐射面3；输出及隔离端口采用槽线4；待测物可放在整个装置电场最强的地方即4所示的槽线；为便于加工测试，图1中共面波导1的阻抗为50，槽线4的阻抗选择100，则耦合共面波导2的阻抗为50；在测试装置的各不连续地方均焊接了空气桥5。
研究表明，采取四端口测试装置可获取更多包含待测信息的数据，为后续介电常数的提取提供更多的依据，可避免多值问题。本发明提出的测试装置可敏感探知被测物介电常数微弱变化引起的散射参数的变化。
空载（整个测试装置上不放置任何待测物）情况下，从输入端口输入的信号，大部分传输到输出端口，按照一定的耦合度会有部分能量到达耦合端口，理想情况下，无能量到达隔离端口。对于介电常数测量装置而言，最该关心的是整个装置的灵敏度及带宽，其耦合度影响不大。从图2可以看出在5-8GHz的频带内，从输入端口1传输到输出端口3的信号在-5dB以上即S31；到达端口4及2的信号在-15dB以下即S41和S21；而端口1的反射系数S11也在-15dB以下。因此空载情况下，由端口1输入的信号大部分经传输线路到端口4。当测试支路放上被测材料时（负载），根据微波传输特性，相当于在测试装置上加入了不连续部分，被测材料将打破空载情况下的传输平衡，从而影响四个端口的散射参数。本发明正是通过上述微波传输的原理测介质的介电常数的。该发明设备简单，操作方便，灵敏度高，频带宽；对待测物放置的具体位置无特别的要求，只要在图1的U形槽线部分即可；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。
以块状固体特氟龙(Teflon)，环氧玻(FR-4)和美国雅龙(AD1000)为测试物即负载情况下的四端口散射参数的信息如图3,4,5,6所示。结果表明待测物的扰动可引起测试装置的四端口散射参数的明显的变化，其灵敏度高，频带宽，测试方便，四端口测试为后续介电常数的提取提供了更多依据，可避免多值问题。
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创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种介电常数四端口测量装置，其特征在于:测量装置由两个相同的宽带3dB定向耦合器组成，每一个定向耦合器均包括输入端口、耦合端口、输出端口及隔离端口；
其中，每一个定向耦合器中的输入端口、耦合端口分别由共面波导传输线构成，每一个定向耦合器中的输出端口、隔离端口分别由槽线构成；
每一个定向耦合器的输入端口与隔离端口、输入端口与输出端口、耦合端口与输出端口、耦合端口与隔离端口之间的λg/4部分采用耦合共面波导过度，其中，λg/4部分采用耦合共面波导传输线及扇形辐射面，λg为测试装置的中心波长；
左侧的定向耦合器中的输出端口与右侧的定向耦合器中的输出端口之间由U形槽线相连接，左侧的定向耦合器中的隔离端口与右侧的定向耦合器中的隔离端口之间由U形槽线相连接；连接两个输出端口的U形槽线称之为传输线路，此处是整个测量装置中电场最强的地方，待测物将放在传输线路上；
为提高测试灵敏度，在测量装置各不连续的地方焊接空气桥；所述介电常数四端口测量装置采取了镀金处理。
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