CN108680839B - 同轴谐振腔复介电常数高温测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同轴谐振腔复介电常数高温测试系统及方法，测试系统包括：测试部分、加热冷却及温控部分，测试方法的步骤包括测试空腔的谐振频率和品质因数，放入杆状样品，盖上金属上端盖并固定，由上端盖中间设置的通孔充入保护气，开启感应加热设备与水冷循环，当样品区被加热到所需温度并恒温一段时间后，进行测试；利用矢量网络分析仪测出谐振腔放入样品前后的谐振频率与品质因数，可计算出样品的介电常数和损耗角正切值；本发明可针对固体、液体以及粉末材料，在不同温度下的介电性能进行测试，可以通过外部感应设备对加热功率及加热速率进行控制，实现测试温度1200℃以上。

Description

同轴谐振腔复介电常数高温测试系统及方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波材料介电性能测试技术领域，具体涉及一种同轴谐振腔复介电常数高温测试系统及测试方法。

背景技术

随着国防军事技术以及微波行业的迅猛发展，微波介质材料被普遍应用在武器装备、航空航天设备以及医学器件等各个高端前沿领域，在军事技术上发挥着越来越重要的作用。尤其是各类高速(如超音速、高超音速)飞行器的发展与应用，对耐高温并具备优越微波性能的材料提出了更高的要求。当高速飞行器在高空高速飞行时，由于飞行速度极快，气动加热现象非常严重，将使得飞行器处于一个极高温的环境中。而根据微波理论可知，微波材料的介电性能与温度之间表征出的是非线性的关系，飞行器处于这样的一个环境中必将会对其性能造成影响，因此，在飞行器设计准备阶段准确测量和分析作为飞行器的隔热材料在不同工作温度下的介电性能就具有极其重要的意义，为材料的研发提供有效的表征与验证手段，为飞行器设计的稳定性提供重要的依据。

当微波电介质为中低损耗材料时，通常采用的方法为谐振腔法，测试夹具可采用各式各样的谐振腔体，如带状线谐振器、圆柱形谐振腔、矩形谐振腔、准光学谐振腔、介质谐振器等，其中低频段利用谐振法进行高温测试时主要采用圆柱形谐振腔或矩形谐振腔，但此时腔体尺寸将会很大，十分笨重，而且样品尺寸也难以做小。

而同轴谐振腔相对其他谐振腔来说，主要优势就在于当将其应用到低频时，由于同轴传输线主模为TEM模式，无最低截止频率，故其横向尺寸可相对小很多。本文所采用四分之一波长同轴谐振腔是由一段一端短路，一端开路的同轴线构成的，可进一步缩小纵向尺寸，而该结构的开路端则是利用一段处于截止状态的圆形波导来实现的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种同轴谐振腔复介电常数高温测试系统及利用所述测试系统对材料的复介电常数进行变温测试的方法，以实现微波介质材料在高温环境下的介电性能测试。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，包括：

测试部分，包括同轴谐振腔，所述同轴谐振腔包括外导体、外导体内部同轴设置的内导体、外导体上方的上端盖、外导体底部的下端盖；所述外导体、内导体、上端盖、下端盖均为金属，所述内、外导体、上端盖、下端盖构成一个同轴谐振腔，所述内、外导体中部分别具有一段斜率相同的直线渐变段；整个谐振腔上任意高度对应的外导体内壁直径和内导体直径的比值保持恒定，从而保持内外导体同轴线各处的特性阻抗始终相同；内导体顶端的高度低于外导体顶端的高度，靠近下端盖的外导体上设有耦合装置，耦合装置与矢量网络分析仪相连接；所述外导体靠下端部分侧壁外表面沿周向均匀设置向谐振腔中心垂直延伸的若干槽体，所述槽体的深度小于外导体的侧壁厚度，槽体的内部设有延伸至外导体内壁的宽度小于槽体的缝隙；槽体和缝隙结构能很好的抑制高次模，利于实现宽频自动化测试。

加热冷却及温控部分，包括感应加热设备、与感应加热设备连接的缠绕在同轴谐振腔外导体上的感应线圈。

作为优选方式，所述外导体分为下端的粗外导体段、中间的渐变外导体段、上端的细外导体段；所述内导体分为下端的粗内导体段、中间的渐变内导体段、上端的细内导体段，粗外导体段、渐变外导体段、细外导体段的内壁直径分别为b1、b2、b3，粗内导体段、渐变内导体段、细内导体段的直径分别为a1、a2、a3，且(b1/a1)＝(b2/a2)＝(b3/a3)。

作为优选方式，b1/a1＝b2/a2＝b3/a3＝3.6。此时同轴腔的品质因数达到最大。

作为优选方式，外导体侧壁下端关于谐振腔中轴线对称设置两个通孔，通孔中用于插入耦合环，耦合环通过电缆与矢量网络分析仪相连接。

作为优选方式，还包括与感应线圈连接的水冷系统，水冷系统与感应加热设备连接，同轴谐振腔腔体底部设有水冷板，直线渐变段对应的外导体上以及水冷板中均设有出入水的通道。

作为优选方式，还包括充气保护系统，充气保护系统包括装有保护气的储气缸，储气缸通过气管与上端盖的通气孔连接。

作为优选方式，内导体顶端高度和外导体顶端高度二者的差值至少大于1倍的外导体顶端的内壁直径尺寸。

作为优选方式，还包括一端封闭的料管，料管内部用于盛放粉末/液体电介质待测材料，料管的外径和外导体顶端的内径相同。

作为优选方式，所述料管采用熔融石英材料制成。使用熔融石英是因为其复介电常数已知、损耗低且可耐1200℃的高温。

作为优选方式，感应圈通过连接孔与感应加热设备连接，水冷系统通过水冷孔与感应线圈连接。

作为优选方式，同轴谐振腔底端与水冷板螺纹连接。

作为优选方式，料管的壁厚为1mm。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述的测试系统对材料的复介电常数进行变温测试的方法，包括以下步骤：

步骤1：连接好装置，矢量网络分析仪通过电缆经耦合孔与同轴谐振腔进行连接；

步骤2：先后开启水冷循环及感应加热设备，使得水冷系统运转起来提供循环冷却液；

步骤3：当加热并稳定到所需温度后，立即测试出空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀；

步骤4：取下上端盖，将样品放入内外导体顶端的样品区，然后固定上端盖；

步骤5：当加热并稳定到所需温度后，测试加载样品的谐振频率f_S和品质因数Q_S；

步骤6：利用矢量网络分析仪测出谐振腔加载样品前后的谐振频率和品质因数，并记录数据，同时通过谐振腔微扰理论，提取得到待测样品高温下的复介电常数。

针对步骤6中，由测试数据获取材料复介电常数的方法主要有等效集总电路法、腔体微扰法、模式匹配法等数值算法等，这里主要陈述利用腔体介质微扰法处理的原理。测试时样品放置于同轴谐振腔的开路端，也即是近场处，电磁场可以做准静态处理。本发明中，测试的材料都是均匀各向同性的非磁性电介质材料，即

公式(1)中ε₀、μ₀是真空复介电常数及复磁导率，ε、μ分别表示的是样品的复介电常数及复磁导率，ε′、ε″、μ′、μ″分别为对应的实部与虚部相对值；j是虚数单位，w是角频率；样品放在同轴谐振腔的开路端，即内导体上端面，该区域电场最强而磁场最弱，放在此端面上的电介质将被电极化，极化后的电介质产生的极化电荷反过来会对腔体的电磁场产生微小摄动，此时在电介质样品中电场可以用极化电荷产生的电场叠加来表示，即

这里b＝(ε-ε₀)/(ε+ε₀),q＝4πε₀R₀V₀,R₀是开路端同轴谐振腔内导体的半径，V₀是开路端内外导体之间的等效电压，ε是待测样品的复介电常数，n是求和式中的变量，r、z为柱坐标系下的位置坐标，以同轴谐振腔的开路端所在平面为圆柱坐标系

平面、z轴方向向外，则

分别是圆柱坐标系r和z方向的单位矢量。因为微波能量主要集中在谐振腔内，在开路端面处的电介质样品对腔体的扰动不大，因此经典的微扰理论可以用来从测得谐振频率f和品质因数Q求取样品的复介电常数ε：

上述两式中，Δf＝f₀-f_s，Δ(1/Q)＝1/Q_S-1/Q₀，V_S表示样品的体积，V表示腔体的体积，W表示腔体内总储能，tanδ＝ε”/ε',Δε和Δμ分别是引入样品后复介电常数和复磁导率的变化量，

分别为加载样品前后腔内的电场与磁场，N由腔体与样品尺寸、所处位置的场等参数决定，其精确值的求解较为复杂且由于腔体及样品实际尺寸会有偏差，所以通常可以通过标样校准过程来确定，具体而言，通过测试多个已知复介电常数的样品，拟合出N值与样品加载前后产生的相对频率偏移的关系曲线。

进而实际测试中，根据腔体及样品尺寸、测得的Δf与Δ(1/Q)值，以及通过标样得到的N值，即可得到电介质样品的复介电常数。

如上所述，本发明的同轴谐振腔复介电常数高温测试系统及方法，具有以下有益效果：

一、利用本系统和方法可以减小低频测试中所需的腔体及样品大小，节省样品用料及成本，这一点对于贵重材料尤为重要。

二、本系统采用感应加热方式，仅需针对样品放置区进行局部加热，并且由于同轴腔体渐变到放样区部分，尺寸已经大大缩小，因而加热速率会显著提高。

三、本系统及方法不仅适用于低损耗电介质材料的复介电常数测试，同样也适用于中高损耗电介质材料，并且待测样品可以是固体，也可以是粉末或者液体。

附图说明

图1是本系统的整体结构示意图。

图2是同轴谐振腔示意图。

图3是表示槽体和缝隙的位置结构示意图。

1为同轴谐振腔，2为矢量网络分析仪，3为感应加热设备，4为水冷系统，5为感应线圈，6为样品，7为充气保护系统，8为水冷通孔，9为水堵头，10为耦合装置，11为水冷板，12为细外导体段，13为渐变外导体段，14为粗外导体段，15为渐变内导体段，16为粗内导体段，17为缝隙，18为下端盖，19为上端盖，20为槽体，21为细内导体段。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例实施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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，包括：

测试部分，包括同轴谐振腔1，所述同轴谐振腔1包括外导体、外导体内部同轴设置的内导体、外导体上方的上端盖19、外导体底部的下端盖18；所述外导体、内导体、上端盖、下端盖均为金属，所述内、外导体、上端盖、下端盖构成一个同轴谐振腔，所述内、外导体中部分别具有一段斜率相同的直线渐变段；整个谐振腔上任意高度对应的外导体内壁直径和内导体直径的比值保持恒定，从而保持内外导体同轴线各处的特性阻抗始终相同；内导体顶端的高度低于外导体顶端的高度，内导体顶端高度和外导体顶端高度二者的差值至少大于1倍的外导体顶端的内壁直径尺寸。靠近下端盖的外导体上设有耦合装置10，耦合装置10与矢量网络分析仪2相连接；所述外导体靠下端部分的侧壁外表面沿周向均匀设置向谐振腔中心垂直延伸的若干槽体20，所述槽体20的深度小于外导体的侧壁厚度，槽体的内部设有延伸至外导体内壁的宽度小于槽体的缝隙17；槽体和缝隙结构能很好的抑制高次模，利于实现宽频自动化测试。所述外导体分为下端的粗外导体段14、中间的渐变外导体段13、上端的细外导体段12；所述内导体分为下端的粗内导体段16、中间的渐变内导体段15、上端的细内导体段21，粗外导体段14、渐变外导体段13、细外导体段12的内壁直径分别为b1、b2、b3，粗内导体段16、渐变内导体段15、细内导体段21的直径分别为a1、a2、a3，且(b1/a1)＝(b2/a2)＝(b3/a3)。本实施例中b1/a1＝b2/a2＝b3/a3＝3.6。此时同轴腔的品质因数达到最大。

加热冷却及温控部分：包括感应加热设备3、与感应加热设备3连接的缠绕在同轴谐振腔外导体上的感应线圈5。感应线圈5通过连接孔与感应加热设备3连接。

还包括通过水冷孔与感应线圈5连接的水冷系统4，水冷系统4与感应加热设备3连接，同轴谐振腔腔体底部设有水冷板11，直线渐变段对应的外导体上以及水冷板11中均设有出入水的通道。同轴谐振腔底端与水冷板螺纹连接。

充气保护系统7：包括装有保护气的储气缸，储气缸通过气管与上端盖19的通气孔连接。

外导体侧壁下端关于谐振腔中轴线对称设置两个通孔，通孔中用于插入耦合环，耦合环通过电缆与矢量网络分析仪相连接。

细内导体段21顶端和细外导体段12顶端之间的部分用于盛放固定待测材料。当需要测试粉末/液体电介质待测材料时，还包括一端封闭的料管，料管内部用于盛放粉末/液体电介质待测材料，料管的外径和外导体顶端的内径相同，料管的壁厚为1mm。所述料管采用熔融石英材料制成。使用熔融石英是因为其复介电常数已知、损耗低且可耐1200℃的高温。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述的测试系统对材料的复介电常数进行变温测试的方法，包括以下步骤：

步骤1：连接好装置，矢量网络分析仪通过电缆经耦合孔与同轴谐振腔进行连接；

步骤2：先后开启水冷循环及感应加热设备，使得水冷系统运转起来为感应线圈、直线渐变段对应的外导体与底端的水冷板提供循环冷却液；

提供循环冷却液；

步骤3：当加热并稳定到所需温度后，立即测试出空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀；

步骤4：取下上端盖，将样品放入内外导体顶端的样品区，然后固定上端盖；

步骤5：当加热并稳定到所需温度后，测试加载样品的谐振频率f_S和品质因数Q_S；

步骤6：利用矢量网络分析仪测出谐振腔加载样品前后的谐振频率和品质因数，并记录数据，同时通过谐振腔微扰理论，提取得到待测样品高温下的复介电常数。

本系统和方法的测试工作原理如下：

为了进行介质材料的复介电常数测试，所采用的腔体结构示意图如附图2所示。由测试数据获取材料复介电常数的方法主要有等效集总电路法、腔体微扰法、模式匹配法等数值算法等，这里主要陈述利用腔体介质微扰法处理的原理。测试时样品放置于同轴谐振腔的开路端，也即是近场处，电磁场可以做准静态处理。本发明中，测试的材料都是均匀各向同性的非磁性电介质材料，即

公式(1)中ε₀、μ₀是真空复介电常数及复磁导率，ε、μ分别表示的是样品的复介电常数及复磁导率，ε′、ε″、μ′、μ″分别为对应的实部与虚部相对值；j是虚数单位，w是角频率。样品放在同轴谐振腔的开路端，即内导体上端面，该区域电场最强而磁场最弱，放在此端面上的电介质将被电极化，极化后的电介质产生的极化电荷反过来会对腔体的电磁场产生微小摄动，此时在电介质样品中电场可以用极化电荷产生的电场叠加来表示，即

这里b＝(ε-ε₀)/(ε+ε₀),q＝4πε₀R₀V₀,R₀是开路端同轴谐振腔内导体的半径，V₀是开路端内外导体之间的等效电压，ε是待测样品的复介电常数，n是求和式中的变量，r、z为柱坐标系下的位置坐标，以同轴谐振腔的开路端所在平面为圆柱坐标系

平面、z轴方向向外，则

分别是圆柱坐标系r和z方向的单位矢量。因为微波能量主要集中在谐振腔内，在开路端面处的电介质样品对腔体的扰动不大，因此经典的微扰理论可以用来从测得谐振频率f和品质因数Q求取样品的复介电常数ε：

上述两式中，Δf＝f₀-f_s，Δ(1/Q)＝1/Q_S-1/Q₀，V_S表示样品的体积，V表示腔体的体积，W表示腔体内总储能，tanδ＝ε”/ε',Δε和Δμ分别是引入样品后复介电常数和复磁导率的变化量，

分别为加载样品前后腔内的电场与磁场，N由腔体与样品尺寸、所处位置的场等参数决定，其精确值的求解较为复杂且由于腔体及样品实际尺寸会有偏差，所以通常可以通过标样校准过程来确定，具体而言，通过测试多个已知复介电常数的样品，拟合出N值与样品加载前后产生的相对频率偏移的关系曲线。

进而实际测试中，根据腔体及样品尺寸、测得的Δf与Δ(1/Q)值，以及通过标样得到的N值，即可得到电介质样品的复介电常数。

上述实施例仅例示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修改。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覆盖。

Claims (7)

1.一种同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，其特征在于，包括：

测试部分，包括同轴谐振腔(1)，所述同轴谐振腔(1)包括外导体、外导体内部同轴设置的内导体、外导体上方的上端盖(19)、外导体底部的下端盖(18)；所述外导体、内导体、上端盖、下端盖均为金属，所述内、外导体、上端盖、下端盖构成一个同轴谐振腔，所述内、外导体中部分别具有一段斜率相同的直线渐变段；整个谐振腔上任意高度对应的外导体内壁直径和内导体直径的比值保持恒定，从而保持内外导体同轴线各处的特性阻抗始终相同；内导体顶端的高度低于外导体顶端的高度，内导体顶端高度和外导体顶端高度二者的差值至少大于1倍的外导体顶端的内壁直径尺寸；靠近下端盖的外导体上设有耦合装置(10)，耦合装置(10)与矢量网络分析仪(2)相连接；所述外导体靠下端部分侧壁外表面沿周向均匀设置向谐振腔中心垂直延伸的若干槽体(20)，所述槽体(20)的深度小于外导体的侧壁厚度，槽体的内部设有延伸至外导体内壁的宽度小于槽体的缝隙(17)；

加热冷却及温控部分，包括感应加热设备(3)、与感应加热设备(3)连接的缠绕在同轴谐振腔外导体上的感应线圈(5)；还包括与感应线圈(5)连接的水冷系统(4)，水冷系统(4)与感应加热设备(3)连接，同轴谐振腔腔体底部设有水冷板(11)，直线渐变段对应的外导体上以及水冷板(11)中均设有出入水的通道；

所述外导体分为下端的粗外导体段(14)、中间的渐变外导体段(13)、上端的细外导体段(12)；所述内导体分为下端的粗内导体段(16)、中间的渐变内导体段(15)、上端的细内导体段(21)，粗外导体段(14)、渐变外导体段(13)、细外导体段(12)的内壁直径分别为b1、b2、b3，粗内导体段(16)、渐变内导体段(15)、细内导体段(21)的直径分别为a1、a2、a3，且(b1/a1)＝(b2/a2)＝(b3/a3)。

2.根据权利要求1所述的同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，其特征在于：b1/a1＝b2/a2＝b3/a3＝3.6。

3.根据权利要求1所述的同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，其特征在于：外导体侧壁下端关于谐振腔中轴线对称设置两个通孔，通孔中用于插入耦合环，耦合环通过电缆与矢量网络分析仪相连接。

4.根据权利要求1所述的同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，其特征在于：还包括充气保护系统(7)，充气保护系统(7)包括装有保护气的储气缸，储气缸通过气管与上端盖(19)的通气孔连接。

5.根据权利要求1所述的同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，其特征在于：还包括一端封闭的料管，料管内部用于盛放粉末/液体电介质待测材料，料管的外径和外导体顶端的内径相同。

6.根据权利要求5所述的同轴谐振腔复介电常数高温测试系统，其特征在于：所述料管采用熔融石英材料制成。

7.利用权利要求1至6任意一项所述的测试系统对材料的复介电常数进行变温测试的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：连接好装置，矢量网络分析仪通过电缆经耦合孔与同轴谐振腔进行连接；

步骤2：先后开启水冷循环及感应加热设备，使得水冷系统运转起来提供循环冷却液；

步骤3：当加热并稳定到所需温度后，立即测试出空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀；

步骤4：取下上端盖，将样品放入内外导体顶端的样品区，然后固定上端盖；

步骤5：当加热并稳定到所需温度后，测试加载样品的谐振频率f_S和品质因数Q_S；

步骤6：利用矢量网络分析仪测出谐振腔加载样品前后的谐振频率和品质因数，并记录数据，同时通过谐振腔微扰理论，提取得到待测样品高温下的复介电常数。

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