CN108414839B - 一种基于fss的谐振法复介电常数测量系统 - Google Patents

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    • 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
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2623—Measuring-systems or electronic circuits

Abstract

本发明公开了一种基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，既能进一步克服“频率点单一”影响、又能测试软体介质材料的复介电常数，满足微波领域对固定频率点高精度介质材料的测量需求，与现有的复介电常数的测试装置实现互补。其技术方案为：系统由FSS谐振片、矩形波导装置组成，矩形波导装置由两个矩形波导组件组成，各自由矩形波导管和波导法兰盘固定而成。通过至少两个固定件固定两个波导法兰盘来连接两个矩形波导组件。每一个矩形波导管的侧壁上都有开口且关于两个波导法兰盘的接合面对称。在这两个开口处分别匹配地固定有同轴‑矩形波导转换器。系统可测试的软体介质材料的在规定频率范围多个频率点的复介电常数。

Description

一种基于FSS的谐振法复介电常数测量系统
技术领域
本发明一般涉及一种用于测试介质材料的复介电常数系统，更具体地涉及一种用于测试软体介质材料的复介电常数的FSS谐振法测量系统。
背景技术
随着介质材料在微波通信、雷达导航、卫星通信、遥感遥测、生物医疗以及国防装备等各个领域内的应用范围不断扩大，对于其电磁参数的检测也越来越受到人们的关注。复介电常数材料是当前半导体行业研究的热门话题。在进行电磁仿真计算时，通常需要准确地了解微波介质基板的特性参数。此外，通过降低集成电路中使用的介质材料的介电常数，可以降低集成电路的漏电电流，降低导线之间的电容效应，降低集成电路发热等。
因此，准确、快捷地测量出介质材料的介电常数既是一项基础工作，又是一项十分重要的研究工作，一直是科学界的研究热点之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》在“三、重点领域及其优先主题5制造业(32)”中明确了新一代信息功能材料及器件的内容；《2016-2017年局科研项目立项指南框架(草案)》在“1.计量领域1.2新兴产业和重点领域计量技术研究方向4：新材料产业研究内容”确定了材料微波特性检测方法研究等研究方向。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，既能进一步克服“频率点单一”影响、又能测试软体介质材料的复介电常数，满足微波领域对固定频率点高精度介质材料的测量需求，与现有的复介电常数的测试装置实现互补。
本发明的技术方案为：本发明公开了一种基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，所述系统包括：
两个矩形波导组件，所述两个矩形波导组件的尺寸相同，其中的每一个矩形波导组件包括：
矩形波导管，所述矩形波导管的一端封闭，另一端开放，并且所述矩形波导管在侧壁上具有开口；
波导法兰盘，所述矩形波导管在开放端与所述波导法兰盘固定，从而形成矩形波导组件，并且所述波导法兰盘在至少两个相反侧突出所述矩形波导管，其中所述两个矩形波导组件的对应的两个波导法兰盘对齐接合，并且所述两个矩形波导管的所述开口的位置关于所述两个波导法兰盘的接合面对称；
FSS谐振片，位于所述两个矩形波导组件之间，所述FSS谐振片由两个谐振单元组成，在每一个所述谐振单元的金属屏上周期性的开设多个槽孔单元组成阵列结构，以从频响特性上呈带通型滤波器特性，实现对电磁波的频率选择和极化选择；
至少两个固定件，所述至少两个固定件在所述至少两个相反侧固定对齐的两个波导法兰盘，以连接所述两个矩形波导组件；
两个同轴-矩形波导转换器，所述两个同轴-矩形波导转换器的尺寸相同，并且分别固定在所述两个矩形波导管的对应开口中。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，系统还包括网络分析仪。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，所述谐振单元的频率选择特性取决于谐振单元的尺寸、谐振单元的形成、单元排列的方式以及周围介质的特性。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，所述谐振单元是圆形开槽结构，其上开设有多个圆环槽，圆环的平均周长为波长的整数倍以产生谐振现象。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，圆环的平均周长为一倍波长，以抑制高次谐波的能量。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，所述谐振单元中圆环槽的外半径尺寸介于3.82mm至5.86mm之间，圆环槽的宽度介于0.3mm至0.6mm之间。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，谐振单元的尺寸参数包括单元长度、单元宽度、第一至第四环形槽外半径、第一至第三环形槽宽度、单元间隔，其中，单元长度为11.43mm，单元宽度为10.16mm，第一至第四环形槽外半径分别为4.9mm、4.1mm、3.3mm、2.5mm，第一至第三环形槽宽度均为0.4mm，单元间隔为10.1mm。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，FSS谐振片加载到介质基板上，介质基板的介电常数越小越好。
根据本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例，介质基板的介电常数为2.3。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明基于频率选择表面(FrequencySelective Surfaces，FSS)的平面型谐振结构加载于两个矩形波导之间的混合技术，平面谐振结构易于加工，且仅需要幅度测量，不需要相位测量，并且可以实现高精度测量。本发明的一个测试装置对应多个测量频率点，并且可以实现电子工业领域的软体介质材料(如磁性薄膜材料等)的复介电常数的高精度测量，解决低损耗材料(尤其是薄型材料)产业发展对测试方法的迫切需求问题，提升检验检测和技术保障能力。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了本发明的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统的一实施例的结构图。
图2示出了FSS谐振片的结构示意图。
图3示出了FSS谐振单元的尺寸示意图。
图4示出了仿真的FSS传输响应的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
图1示出了本发明的基于FSS(Frequency Selective Surfaces，FSS，频率表面)的谐振法复介电常数测量系统的一实施例的结构。请参见图1，本实施例的系统包括：两个矩形波导组件、至少两个固定件、两个同轴-矩形波导转换器。
两个矩形波导组件的尺寸相同，以其中的一个矩形波导组件为例，矩形波导组件包括：矩形波导管1、波导法兰盘2。矩形波导管1的一端封闭，另一端开放，并且矩形波导管在侧壁上具有开口。矩形波导管1在开放端与波导法兰盘2固定，从而形成矩形波导组件，并且波导法兰盘2在至少两个相反侧突出矩形波导管，其中两个矩形波导组件的对应的两个波导法兰盘对齐接合，并且两个矩形波导管的开口的位置关于两个波导法兰盘的接合面对称。
FSS谐振片3位于两个矩形波导组件之间。如图2所示，FSS谐振片3由两个谐振单元31、32组成。
至少两个固定件在至少两个相反侧固定对齐的两个波导法兰盘，以连接两个矩形波导组件。
两个同轴-矩形波导转换器6的尺寸相同，并且分别固定在两个矩形波导管的对应开口中。系统还包括网络分析仪4。
两个矩形波导组件通过两个波导法兰盘2对齐接合，通过仿真优化，选择合适的同轴-矩形波导转换器6将波导跟同轴线相连接。
对于FSS谐振片的谐振单元，是在金属屏上周期性的开设多个槽孔组成阵列结构，以从频响特性上呈现带通型滤波器特性，实现对电磁波的频率选择和极化选择。而谐振单元的频率选择特性取决于谐振单元的尺寸、谐振单元的形成、单元排列的方式以及周围介质的特性等。
本实施例的谐振单元的结构和尺寸参数如图2和图3所示，是圆形开槽结构的谐振单元，即，其上开设有多个圆环槽，上谐振频率与矩形波导装置频率上限相一致。通过研究谐振单元尺寸、谐振腔尺寸、介质加载厚度、入射波角度对FSS谐振片S参数的影响，得到最优化的FSS谐振片。具体而言，圆环槽的平均周长为波长的整数倍以产生谐振现象，较佳的为一倍波长，以抑制高次谐波的能量，因此，圆环槽的外半径尺寸介于3.82mm至5.86mm之间，圆环槽的宽度介于0.3mm至0.6mm之间。
FSS结构的传输响应如图4所示，可以看出传输曲线不平整，谐振频率点9.30GHz，11.64GHz附近通带窄等问题，需要通过调整参数对曲线进行优化，以下就是对谐振片各尺寸参数的分析。
影响FSS谐振片性能的指标主要有：
(1)谐振单元尺寸的环形槽外半径r1、r2、r3、r4：
在一定范围内，最外侧r1和最内侧环形槽的外半径r4改变时，谐振频率均没有明显改变。r2和r3对谐振频率的影响比较明显，当r2变大时，下谐振点向低频段移动，上谐振点不受影响。当r3变大时，下谐振点不变化，上谐振点向低频段移动。原因是随着环形槽半径的增加，槽的平均周长将增加，将导致谐振波长变长，从而使得谐振频率下降。
(2)谐振单元尺寸的环形槽宽度g1、g2、g3：
当环形槽宽度在一定范围内变化时，最外侧槽的宽度g1影响第一通带的中心频率，随着g1的增加，该频率将向高频段偏移；中间槽的宽度g2影响第二通带的中心频率，并随着宽度的增加，该中心频率将向高频段偏移；内侧槽的宽度g3对上谐振点有影响。随着宽度的增加，谐振点将向高频端移动。
(3)加载介质的介电常数
将FSS加载到介质基板上，由于波在介质中传播时波长要减小，而单元的谐振波长不变，因而谐振频率将降低，对于单层介质加载后FSS谐振频率将以的速度降低。因此随着介电常数的增大，谐振频率不断降低，因此介质基板的介电常数选择越小越好，在本实施例中基于现有技术的考虑选择介电常数为2.3的介质材料。
在本实施例中，FSS谐振单元的尺寸参数如下表所示(单位：MM)：
在系统使用时，待测介质样品5紧贴FSS谐振片3放置，通过测量级联结构(FSS谐振片3和待测介质样品5)传递函数的谐振频率和幅度随样品厚度和介电常数的变化而产生偏移来提取待测样品的复介电常数。具体而言，是通过分析加载样品前后谐振频率的偏移以及传输损耗的衰减情况，给出介质材料的介电常数。
本发明相比现有技术具有如下优势：
(1)可测试的电磁波的频率范围频率点多；
(2)可测试软体介质材料的复介电常数；
(3)测试的可重复性好、性能稳定；
(4)装置的特性阻抗为50Ω±0.5Ω；
(5)装置的驻波比小于1.5；
(6)测量不确定度低至±3dB。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (7)

1.一种基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，所述系统包括：
两个矩形波导组件，所述两个矩形波导组件的尺寸相同，其中的每一个矩形波导组件包括：
矩形波导管，所述矩形波导管的一端封闭，另一端开放，并且所述矩形波导管在侧壁上具有开口；
波导法兰盘，所述矩形波导管在开放端与所述波导法兰盘固定，从而形成矩形波导组件，并且所述波导法兰盘在至少两个相反侧突出所述矩形波导管，其中所述两个矩形波导组件的对应的两个波导法兰盘对齐接合，并且所述两个矩形波导管的所述开口的位置关于所述两个波导法兰盘的接合面对称；
FSS谐振片，位于所述两个矩形波导组件之间，所述FSS谐振片由两个谐振单元组成，在每一个所述谐振单元的金属屏上周期性的开设多个槽孔单元组成阵列结构，以从频响特性上呈带通型滤波器特性，实现对电磁波的频率选择和极化选择，其中所述谐振单元是圆形开槽结构，其上开设有多个圆环槽，圆环的平均周长为波长的整数倍以产生谐振现象；
至少两个固定件，所述至少两个固定件在所述至少两个相反侧固定对齐的两个波导法兰盘，以连接所述两个矩形波导组件；
两个同轴-矩形波导转换器，所述两个同轴-矩形波导转换器的尺寸相同，并且分别固定在所述两个矩形波导管的对应开口中；以及
网络分析仪。
2.根据权利要求1所述的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，所述谐振单元的频率选择特性取决于谐振单元的尺寸、谐振单元的形成、单元排列的方式以及周围介质的特性。
3.根据权利要求2所述的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，圆环的平均周长为一倍波长，以抑制高次谐波的能量。
4.根据权利要求3所述的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，所述谐振单元中圆环槽的外半径尺寸介于3.82mm至5.86mm之间，圆环槽的宽度介于0.3mm至0.6mm之间。
5.根据权利要求4所述的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，谐振单元的尺寸参数包括单元长度、单元宽度、第一至第四环形槽外半径、第一至第三环形槽宽度、单元间隔，其中，单元长度为11.43mm，单元宽度为10.16mm，第一至第四环形槽外半径分别为4.9mm、4.1mm、3.3mm、2.5mm，第一至第三环形槽宽度均为0.4mm，单元间隔为10.1mm。
6.根据权利要求5所述的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，FSS谐振片加载到介质基板上，介质基板的介电常数越小越好。
7.根据权利要求6所述的基于FSS的谐振法复介电常数测量系统，其特征在于，介质基板的介电常数为2.3。
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