CN107290595B - 基于椭球面反射镜的材料相对复介电常数高温测试方法 - Google Patents

基于椭球面反射镜的材料相对复介电常数高温测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置及测试方法，包括椭球面反射镜、喇叭天线、金属坩埚、高温炉和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过微波电缆连接喇叭天线；所述椭球面反射镜的反射面为旋转椭球面的一部分，旋转椭球面的长轴与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角，喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处，本发明具有测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低、对样品放置要求低的特点；同时本装置由于采用了椭球面反射镜，能够保证高温测试过程中聚焦波束幅度和相位的稳定性，从而能够保证测试结果的准确性。

Description

基于椭球面反射镜的材料相对复介电常数高温测试方法
技术领域
本发明属于微波、毫米波介质材料测试技术领域，涉及材料高温和超高温复介电常数测试系统，尤其是自由空间终端短路法测试系统及方法。
背景技术
微波热透波材料属于电介质材料，其广泛应用于飞行器天线罩、天线窗的制造领域。随着飞行器的速度越来越快，微波热透波材料所处的工作温度也越来越高，最高可达2000摄氏度以上，其介电性能随温度的变化规律也更为复杂。这些变化会影响热透波材料的微波性能，对飞行器天线发送、接收电磁波信号产生极大的影响。因此，准确测试、分析热透波材料介电性能在高温甚至超高温环境下的变化情况，对于飞行器天线罩等部件的设计及高速飞行状态下的可靠性研究具有至关重要的作用。
对于电介质材料介电性能的变温测试，常用方法为终端短路法，其原理是将待测材料填充于终端短路的传输线，通过测量该传输线的复反射系数来计算待测材料的复介电常数。终端短路法又分为波导终端短路法(如图1所示)和自由空间终端短路法(如图2所示)。在公告号为CN101545931A的“一种基于终端短路法的高温复介电常数测量方法”的专利中提出利用双波导终端短路的方法，通过将待测样品填充于一矩形波导的终端短路面处，另一矩形波导作为校准波导来实现材料的高温测试。但该专利中由于直接对波导进行加热，波导受热后的形变、挥发及电学性能变化均会对测试精度产生较大影响，且样品的加工精度要求较高。在公告号为CN102393490A的“一种介质材料高温复介电常数测量装置”的专利中通过将传统波导终端短路中短路面改为扼流式法兰结构，保证了高温下终端短路面与波导之间良好的电接触，但仍存在波导受热变形、挥发及样品加工精度较高的问题。在公告号为CN103344841A 的“电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统”的专利中，提出了自由空间终端短路法，利用介质聚焦天线代替波导，实现了加热部分及测试传感器的分离，一定程度上提高了测试传感器的可靠性及寿命，且样品加工精度要求不高，但该方法由于采用聚四氟乙烯作为聚焦天线的透镜，在高温测试中透镜会受到热辐射的影响而造成传感器稳定性变差，在超高温下介质透镜更是无法承受高温热辐射作用，且高温下金属发热体挥发出的杂质易附着在透镜表面，造成电磁波聚焦效果变差，进而影响测试精度。
由上所述，传统复介电常数高温测试方法中波导终端短路法易造成波导的形变及污染，导致测试夹具重复利用率差，测试成本过高及维护不方便，待测样品加工要求高等问题；而利用介质透镜作为聚焦天线的自由空间终端短路法由于介质透镜所能承受的热辐射有限而不能用于超高温测试，且挥发物附着在透镜表面后造成电磁波聚焦效果变差，从而影响测试结果的准确性。
发明内容
本发明的目的是针对现有终端短路法介质材料复介电常数高温测量装置中存在的上述缺陷，对现有的自由空间终端短路法中的电磁波聚焦结构进行改进，利用椭球面反射镜对喇叭天线辐射的电磁波进行聚焦，并采用金属坩埚来承载待测样品，提供一种基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置及方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置，包括金属材质的椭球面反射镜、喇叭天线、金属坩埚、高温炉和矢量网络分析仪，所述喇叭天线通过微波电缆和所述矢量网络分析仪相连；所述喇叭天线的口径场均匀分布且副瓣电平比主瓣电平小20dB以上；所述椭球面反射镜的反射面为旋转椭球面的一部分，所述椭球面反射镜的反射面通过如下方法得到：椭圆绕椭球面长轴旋转360°后构成旋转椭球面，用平行于椭球面长轴的平面对旋转椭球面切割后取面积较小的部分得到椭球面反射镜的反射面；椭球面长轴与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角；所述喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，所述金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处；所述金属坩埚放置于高温炉的内部。
作为优选方式，所述喇叭天线为双模喇叭天线或波纹喇叭天线。
作为优选方式，所述金属坩埚采用耐高温导电材料制作，其面向椭球面反射镜的一侧具有圆形截面的凹槽结构，用于承载待测样品。
作为优选方式，所述椭球面反射镜采用黄铜加工制作，椭球面反射镜内部开有水冷槽用于通水冷却，以降低高温测试时椭球面反射镜的温度。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置进行材料复介电常数高温测试的方法，包括如下步骤：
步骤1：连接喇叭天线和矢量网络分析仪；
步骤2：调整喇叭天线、金属坩埚和椭球面反射镜的位置使椭球面反射镜椭球面长轴与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角，令喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，令金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处；
步骤3：不放置待测样品，常温下在金属坩埚上表面进行单端口短路、开路、匹配负载校准；
步骤4：不放置待测样品，高温炉加热金属坩埚到所需测试温度点后，在金属坩埚上表面进行响应校准；
步骤5：待温度冷却后放置待测样品于金属坩埚内，开启高温炉进行加热；
步骤6：利用矢量网络分析仪测试待测样品在所需测试温度点下的回波损耗S11，并加以记录；
步骤7：根据所测得的加载待测样品时的回波损耗及校准数据，计算得到待测样品的相对复介电常数，其计算过程如下：
根据自由空间终端短路法的计算公式：
式中S11为回波损耗，εr为待测样品的相对复介电常数，d为待测样品厚度，γ0为自由空间中的传播常数，有λ为波长；
一旦测试频率确定后，由测量得到的回波损耗，根据公式(1)即可求解出待测样品的相对复介电常数εr，将εr用复数形式表示出来，如式(2)：
εr＝εr’-jεr" (2)
根据式(2)即可得到待测样品的相对复介电常数的实部εr’和虚部εr"。
本发明提供的基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置中，采用椭球面反射镜替代了传统的介质聚焦透镜，由于椭球面反射镜为金属材质，在变温过程中能够耐热辐射作用而不会影响其性能，避免了现有的基于介质聚焦透镜的自由空间终端短路法复介电常数测量系统中介质聚焦透镜在高温辐射下变形或电磁性能发生变化而引起的测量误差。同时，喇叭天线与椭球面反射镜相距较远且远离热辐射源，使得在高温和超高温测试过程中，同采用介质聚焦透镜的自由空间终端短路系统相比，一方面喇叭天线受到的热辐射要小很多；另一方面，金属坩埚或待测样品产生挥发物后，附着在椭球面反射镜上的挥发物对反射电磁波的衰减比附着在介质聚焦透镜表面的挥发物对透射电磁波的衰减要小得多，从而进一步保证了高温测试过程中的测试稳定性和精度。
测试时，将待测样品放入金属坩埚的凹槽中，待测材料的横向尺寸与金属坩埚的圆形凹槽截面相适应，并与金属坩埚的上表面紧密接触。金属坩埚对电磁波起到短路作用，由于金属坩埚置于椭球面的焦点，根据椭球面的几何特性，金属坩埚倾斜一个小的角度后入射电磁波经金属坩埚反射后仍能由椭球面反射镜反射回喇叭天线，避免了现有的基于介质聚焦透镜天线的自由空间终端短路法复介电常数测量系统中由于短路板与天线轴线不垂直而引起的测量误差。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置及测试方法具有测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低、对样品放置要求低的特点；同时本发明提供的基于椭球面反射镜的介质材料复介电常数测试装置由于采用了椭球面反射镜，能够保证高温测试过程中聚焦波束幅度和相位的稳定性，从而能够保证测试结果的准确性。
附图说明
图1为波导终端短路法复介电常数高温测试系统结构示意图。
图2为传统基于介质聚焦透镜的自由空间终端短路法复介电常数测试系统结构示意图。
图3为本发明提供的基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置结构示意图。
图4为本发明提供的椭球面反射镜结构示意图。
图5为本发明提供的椭球面反射镜平行于椭球面长轴的侧视图。
图6为本发明提供的椭球面反射镜垂直于椭球面长轴的侧视图。
其中，1为椭球面反射镜、2为喇叭天线，3为金属坩埚，4为高温炉，5为矢量网络分析仪，6为水冷槽，7为椭球面长轴，8为椭圆，9为反射面，10为待测样品，11为波导，12 为短路板，13为介质聚焦透镜天线，14为聚焦波束，15为金属短路板，16为微波电缆。
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。
如图3所示，基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置，包括金属材质的椭球面反射镜1、喇叭天线2、金属坩埚3、高温炉4和矢量网络分析仪5，所述喇叭天线2通过微波电缆16和所述矢量网络分析仪5相连；所述喇叭天线2的口径场均匀分布且副瓣电平比主瓣电平小20dB以上，具有较低的副瓣电平；如图4所示，所述椭球面反射镜1的反射面9 为旋转椭球面的一部分，如图5和图6所示，所述椭球面反射镜1的反射面9通过如下方法得到：椭圆8绕椭球面长轴7旋转360°后构成旋转椭球面，用平行于椭球面长轴7的平面对旋转椭球面切割后取面积较小的部分得到椭球面反射镜1的反射面9；椭球面长轴7与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角；所述喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，所述金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处；所述金属坩埚3 放置于高温炉4的内部。
优选的，所述喇叭天线2为双模喇叭天线或波纹喇叭天线。
所述金属坩埚3采用耐高温导电材料制作，其面向椭球面反射镜的一侧具有圆形截面的凹槽结构，用于承载待测样品10。
所述椭球面反射镜采用黄铜加工制作，椭球面反射镜内部开有水冷槽6用于通水冷却，以降低高温测试时椭球面反射镜的温度。
利用上述装置进行材料复介电常数高温测试的方法，包括如下步骤：
步骤1：连接喇叭天线和矢量网络分析仪；
步骤2：调整喇叭天线、金属坩埚和椭球面反射镜的位置使椭球面反射镜椭球面长轴与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角，令喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，令金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处；
步骤3：不放置待测样品，常温下在金属坩埚上表面进行单端口短路、开路、匹配负载校准；
步骤4：不放置待测样品，高温炉加热金属坩埚到所需测试温度点后，在金属坩埚上表面进行响应校准；
步骤5：待温度冷却后放置待测样品于金属坩埚内，开启高温炉进行加热；
步骤6：利用矢量网络分析仪测试待测样品在所需测试温度点下的回波损耗S11，并加以记录；
步骤7：根据所测得的加载待测样品时的回波损耗及校准数据，计算得到待测样品的相对复介电常数，其计算过程如下：
根据自由空间终端短路法的计算公式：
式中S11为回波损耗，εr为待测样品的相对复介电常数，d为待测样品厚度，γ0为自由空间中的传播常数，有λ为波长；
一旦测试频率确定后，由测量得到的回波损耗，根据公式(1)即可求解出待测样品的相对复介电常数εr，将εr用复数形式表示出来，如式(2)：
εr＝εr’-jεr" (4)
根据式(2)即可得到待测样品的相对复介电常数的实部εr’和虚部εr"。
本实施例提供的基于椭球面反射镜的材料复介电常数高温测试装置中，采用椭球面反射镜替代了传统的介质聚焦透镜，由于椭球面反射镜为金属材质，在变温过程中能够耐热辐射作用而不会影响其性能，避免了现有的基于介质聚焦透镜的自由空间终端短路法复介电常数测量系统中介质聚焦透镜在高温辐射下变形或电磁性能发生变化而引起的测量误差。同时，喇叭天线与椭球面反射镜相距较远且远离热辐射源，使得在高温和超高温测试过程中，同采用介质聚焦透镜的自由空间终端短路系统相比，一方面喇叭天线受到的热辐射要小很多；另一方面，金属坩埚或待测样品产生挥发物后，附着在椭球面反射镜上的挥发物对反射电磁波的衰减比附着在介质聚焦透镜表面的挥发物对透射电磁波的衰减要小得多，从而进一步保证了高温测试过程中的测试稳定性和精度。
测试时，将待测样品放入金属坩埚的凹槽中，待测材料的横向尺寸与金属坩埚的圆形凹槽截面相适应，并与金属坩埚的上表面紧密接触。金属坩埚对电磁波起到短路作用，由于金属坩埚置于椭球面的焦点，根据椭球面的几何特性，金属坩埚倾斜一个小的角度后入射电磁波经金属坩埚反射后仍能由椭球面反射镜反射回喇叭天线，避免了现有的基于介质聚焦透镜天线的自由空间终端短路法复介电常数测量系统中由于短路板与天线轴线不垂直而引起的测量误差。
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 (5)

1.一种材料相对复介电常数高温测试的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：连接喇叭天线和矢量网络分析仪；
步骤2：调整喇叭天线、金属坩埚和椭球面反射镜的位置使椭球面反射镜椭球面长轴与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角，令喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，令金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处；
步骤3：不放置待测样品，常温下在金属坩埚上表面进行单端口短路、开路、匹配负载校准；
步骤4：不放置待测样品，高温炉加热金属坩埚到所需测试温度点后，在金属坩埚上表面进行响应校准；
步骤5：待温度冷却后放置待测样品于金属坩埚内，开启高温炉进行加热；
步骤6：利用矢量网络分析仪测试待测样品在所需测试温度点下的回波损耗S11，并加以记录；
步骤7：根据所测得的加载待测样品时的回波损耗及校准数据，计算得到待测样品的相对复介电常数，其计算过程如下：
根据自由空间终端短路法的计算公式：
式中S11为回波损耗，εr为待测样品的相对复介电常数，d为待测样品厚度，γ0为自由空间中的传播常数，有λ为波长；
一旦测试频率确定后，由测量得到的回波损耗，根据公式(1)即可求解出待测样品的相对复介电常数εr，将εr用复数形式表示出来，如式(2)：
εr＝εr’-jεr" (2)
根据式(2)即可得到待测样品的相对复介电常数的实部εr’和虚部εr”。
2.根据权利要求1所述的材料相对复介电常数高温测试的方法，其特征在于：
方法中使用基于椭球面反射镜的材料相对复介电常数高温测试装置，包括：金属材质的椭球面反射镜、喇叭天线、金属坩埚、高温炉和矢量网络分析仪，所述喇叭天线通过微波电缆和所述矢量网络分析仪相连；所述喇叭天线的口径场均匀分布且副瓣电平比主瓣电平小20dB以上；所述椭球面反射镜的反射面为旋转椭球面的一部分，所述椭球面反射镜的反射面通过如下方法得到：椭圆绕椭球面长轴旋转360°后构成旋转椭球面，用平行于椭球面长轴的平面对旋转椭球面切割后取面积较小的部分得到椭球面反射镜的反射面；椭球面长轴与所述喇叭天线轴线以及所述金属坩埚法线均呈45度夹角；所述喇叭天线相位中心位于椭球面反射镜的一焦点处，所述金属坩埚上表面中心位于椭球面反射镜的另一焦点处；所述金属坩埚放置于高温炉的内部。
3.根据权利要求2所述的材料相对复介电常数高温测试的方法，其特征在于：所述喇叭天线为双模喇叭天线或波纹喇叭天线。
4.根据权利要求2所述的材料相对复介电常数高温测试的方法，其特征在于：所述金属坩埚采用耐高温导电材料制作，其面向椭球面反射镜的一侧具有圆形截面的凹槽结构，用于承载待测样品。
5.根据权利要求2所述的材料相对复介电常数高温测试的方法，其特征在于：所述椭球面反射镜采用黄铜加工制作，椭球面反射镜内部开有水冷槽用于通水冷却。
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