CN109061319A - 一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法 - Google Patents

一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法，复介电常数与复磁导率是描述材料电磁特性的重要参数，矩形谐振腔相比其他谐振腔相比，具有结构简单，计算方便的优点，且矩形谐振腔谐振频率与复介电常数与复磁导率的实部呈线性关系，品质因数的倒数与复介电常数和复磁导率的虚部呈线性关系。因此，利用标定线性系数的方法对材料的电磁参数进行测量。采用线性系数标定的方法进行材料电磁参数的测量。本发明无需对网络分析仪进行复杂的校准，可以有效减少测量时间；无需对谐振腔进行特殊加工，有效的降低了测量成本；利用已知电磁参数的材料进行线性系数的标定，可以有效提高测量精度。

Description

一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法，属于微波测试技术领域，具体涉及微波材料电磁参数测量技术。
背景技术
随着科技的进步与5G技术的提出，电子设备正在向着高频化、集成化、轻量化与高速传输方向发展，该趋势促进了高频、高性能微波材料的发展。复介电常数与复磁导率是描述材料电磁特性的重要参数，同时也影响着电磁波传播速度、工作波长、功率损耗，因此，在使用微波材料时，必须对其电磁参数进行测量。
在微波频段内，材料的电磁参数测量方法一般可分为两类：一类是非谐振法，包括自由空间法、传输线法等；另一类是谐振法，主要通过各种形式的谐振腔来实现材料的电磁参数的测量。本发明属于谐振法的一种，其主要原理是依据谐振腔谐振频率与复电磁参数实部、谐振腔品质因数的倒数与复电磁参数虚部之间的线性关系，利用已知电磁参数材料对线性系数进行标定，实现电磁参数的测量。
发明内容
本发明目的是为了解决电磁参数测量问题，提出一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法，本方法的实施过程如下：
步骤1)：建立谐振腔谐振参数与复电磁参数之间的关系表达式；
谐振腔谐振频率与复介电常数实部、复磁导率实部，谐振腔品质因数倒数与复介电常数虚部、复磁导率虚部之间存在线性关系。因此，通过线性系数标定的方法，利用谐振腔谐振参数表征待测材料的复电磁参数：
其中，ε’为复介电常数的实部；ε”为复介电常数的虚部；μ’为复磁导率的实部；μ”为复磁导率的虚部；f为谐振频率，Q为品质因数，下标0表示空腔状态下的参数，下标s表示插入待测材料后谐振腔的谐振参数；V0为谐振腔体积；Vs为待测材料体积；Vc表示腔体的体积；A和B分别为待定系数。
步骤2)：搭建微波检测系统；
该检测系统包括：矢量网络分析仪(1)、同轴电缆(2)、耦合短路板(3)、标准矩形波导WR-90(5)和矩形谐振腔(6)；标准矩形波导WR-90(5)通过同轴电缆(2)与矢量网络分析仪(1)连接；耦合短路板(3)、标准矩形波导WR-90(5)与矩形谐振腔(6)通过螺栓孔(4)相连接。矩形波导管(1)为矩形谐振腔(6)的中心结构，在矩形波导管(1)水平方向的中心位置处开有圆形孔即复介电常数测量孔(8)，复介电常数测量孔(8)用来测量复磁导率；在矩形波导管(1)垂直方向的中心位置处开有圆形孔即复磁导率测量孔(7)，复介电常数测量孔(8)和复磁导率测量孔(7)作为待测材料的放置孔，分别用来测量复磁导率与复介电常数。
步骤3)：复电磁参数的测量；
利用矢量网络分析仪(1)设置扫频范围，通过标准矩形波导WR-90(5)将测试微波沿耦合孔(9)耦合入矩形谐振腔(6)，电磁波通过两耦合短路板(3)反射，在谐振腔内产生驻波分布，形成谐振；将已知复介电常数的材料沿中心孔(8)插入矩形谐振腔，选择奇数工作模，利用矢量网络分析仪提取谐振参数f、Q，结合公式(1)、(2)进行线性系数A的标定；将已知复磁导率的材料沿中心孔(7)插入谐振腔，选择偶数工作模，利用矢量网络分析仪提取谐振参数f、Q，结合公式(3)、(4)进行线性系数B的标定；在线性系数标定完成后，将待测材料分别沿中心孔即复磁导率测量孔(7)、复介电常数测量孔(8)插入谐振腔，并分别选择偶数与奇数工作模态，利用矢量网络分析仪获取加载前后谐振腔的谐振参数，结合公式(1)-(4)最终实现复电磁参数测量。
附图说明
图1检测系统示意图；
图2检测系统局部剖面图；
图3矩形波导管示意图；
图4带耦合孔短路板示意图；
图5谐振频率与复介电常数实部拟合曲线图；
图6品质因数倒数与复介电常数虚部拟合曲线图；
图7谐振频率与复磁导率实部拟合曲线图；
图8品质因数倒数与复磁导率虚部拟合曲线图。
附图中，各标号代表的部件列表如下：
1、矢量网络分析仪，2、同轴电缆，3、短路板，4、螺栓孔，5、标准WR-90矩形波导，6、矩形谐振腔，7、复磁导率测量孔，8、复介电常数测量孔，9、耦合孔。
具体实施方式
下面以一个矩形谐振腔实例对具体的实施方式作进一步的详细说明。
步骤1)：建立谐振腔谐振参数与复电磁参数之间关系表达式
谐振腔谐振频率与复介电常数实部、复磁导率实部，谐振腔品质因数倒数与复介电常数虚部、复磁导率虚部间存在线性关系。因此，可通过线性系数标定的方法，利用谐振腔谐振参数表征待测材料的复电磁参数：
其中，ε’为复介电常数的实部；ε”为复介电常数的虚部；μ’为复磁导率的实部；μ”为复磁导率的虚部；f为谐振频率，Q为品质因数，下标0表示空腔状态下的参数，下标s表示加载后谐振腔的谐振参数；V0为谐振腔体积；Vs为待测材料体积；A和B分别为待定系数。
步骤2)：搭建微波检测系统
该检测系统包括：矢量网络分析仪(1)、同轴电缆(2)、耦合短路板(3)、标准矩形波导WR-90(5)、矩形谐振腔(6)；其中，标准矩形波导WR-90(5)通过同轴电缆(2)与矢量网络分析仪(1)连接；耦合短路板(3)、标准矩形波导WR-90(5)与矩形谐振腔(6)通过螺栓孔(4)相连接。
步骤3)：复电磁参数的测量
选择奇数工作模TE109进行复介电常数测量，设置扫频范围(9.5-10.5GHz)，通过标准矩形波导WR-90(5)将测试微波沿耦合孔(9)耦合入矩形谐振腔(6)，将待测材料沿中心孔(8)插入矩形谐振腔中进行复介电常数测量，利用HFSS仿真软件设置复介电常数实部从1变化到10，步进为1，提取谐振频率f并对数据进行线性拟合得到如图4所示曲线；设置复介电常数虚部从0.005变化到0.05，步进为0.005，提取谐振腔的品质因数并取倒数，利用线性拟合得到如图5所示曲线。由图4和图5可知，奇数工作模态下谐振腔的谐振参数与复介电常数之间存在线性关系。
选择偶数工作模TE108进行复磁导率测量，设置扫频范围(9-9.7GHz)，通过标准矩形波导WR-90(5)将测试微波沿耦合孔(9)耦合入矩形谐振腔(6)，将待测材料沿中心孔(7)插入矩形谐振腔中进行复磁导率测量，利用HFSS仿真软件设置复磁导率实部从1变化到10，步进为1，提取谐振频率f并对数据进行线性拟合得到如图6所示曲线；设置复磁导率虚部从0.005变化到0.05，步进为0.005，提取谐振腔的品质因数并取倒数，利用线性拟合得到如图7所示曲线。由图6和图7可知，偶数工作模态下谐振腔的谐振参数与复磁导率之间存在线性关系。
根据上述线性关系，将已知复介电常数的材料沿中心孔(8)插入矩形谐振腔，选择奇数工作模，利用矢量网络分析仪提取谐振参数，结合公式(1)、(2)进行线性系数A的标定；将已知复磁导率材料沿中心孔(7)插入谐振腔，选择偶数工作模，利用矢量网络分析仪提取谐振参数，结合公式(3)、(4)对线性系数B进行标定；在线性系数标定完成后，将待测材料分别沿中心孔(7)、(8)插入谐振腔，并分别选择偶数与奇数工作模态，利用矢量网络分析仪获取加载状态下谐振腔的谐振参数，结合公式(1)-(4)最终实现复电磁参数的测量。

Claims (1)

1.一种基于矩形谐振腔的电磁参数测量方法，其特征在于：本方法的实施过程如下，
步骤1)：建立谐振腔谐振参数与复电磁参数之间的关系表达式；
谐振腔谐振频率与复介电常数实部、复磁导率实部，谐振腔品质因数倒数与复介电常数虚部、复磁导率虚部之间存在线性关系；因此，通过线性系数标定的方法，利用谐振腔谐振参数表征待测材料的复电磁参数：
其中，ε’为复介电常数的实部；ε”为复介电常数的虚部；μ’为复磁导率的实部；μ”为复磁导率的虚部；f为谐振频率，Q为品质因数，下标0表示空腔状态下的参数，下标s表示插入待测材料后谐振腔的谐振参数；V0为谐振腔体积；Vs为待测材料体积；Vc表示腔体的体积；A和B分别为待定系数；
步骤2)：搭建微波检测系统；
该检测系统包括：矢量网络分析仪(1)、同轴电缆(2)、耦合短路板(3)、标准矩形波导WR-90(5)和矩形谐振腔(6)；标准矩形波导WR-90(5)通过同轴电缆(2)与矢量网络分析仪(1)连接；耦合短路板(3)、标准矩形波导WR-90(5)与矩形谐振腔(6)通过螺栓孔(4)相连接；矩形波导管(1)为矩形谐振腔(6)的中心结构，在矩形波导管(1)水平方向的中心位置处开有圆形孔即复介电常数测量孔(8)，复介电常数测量孔(8)用来测量复磁导率；在矩形波导管(1)垂直方向的中心位置处开有圆形孔即复磁导率测量孔(7)，复介电常数测量孔(8)和复磁导率测量孔(7)作为待测材料的放置孔，分别用来测量复磁导率与复介电常数；
步骤3)：复电磁参数的测量；
利用矢量网络分析仪(1)设置扫频范围，通过标准矩形波导WR-90(5)将测试微波沿耦合孔(9)耦合入矩形谐振腔(6)，电磁波通过两耦合短路板(3)反射，在谐振腔内产生驻波分布，形成谐振；将已知复介电常数的材料沿中心孔(8)插入矩形谐振腔，选择奇数工作模，利用矢量网络分析仪提取谐振参数f、Q，结合公式(1)、(2)进行线性系数A的标定；将已知复磁导率的材料沿中心孔(7)插入谐振腔，选择偶数工作模，利用矢量网络分析仪提取谐振参数f、Q，结合公式(3)、(4)进行线性系数B的标定；在线性系数标定完成后，将待测材料分别沿中心孔即复磁导率测量孔(7)、复介电常数测量孔(8)插入谐振腔，并分别选择偶数与奇数工作模态，利用矢量网络分析仪获取加载前后谐振腔的谐振参数，结合公式(1)-(4)最终实现复电磁参数测量。
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