CN109061319B - 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：
Figure BDA0001741231620000021
Figure BDA0001741231620000022
Figure BDA0001741231620000023
Figure BDA0001741231620000024
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：
Figure BDA0001741231620000041
Figure BDA0001741231620000042
Figure BDA0001741231620000043
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：
Figure FDA0002488899730000012
Figure FDA0002488899730000013
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；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；标准矩形波导WR-90(5)通过耦合短路板(3)上的螺栓孔(4)与矩形谐振腔(6)相连接；矩形波导管为矩形谐振腔(6)的中心结构，在矩形波导管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)用来测量复介电常数；在矩形波导管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，分别用来测量复介电常数与复磁导率；
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复介电常数测量孔(8)插入矩形谐振腔，选择奇数工作模态，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复磁导率测量孔(7)插入谐振腔，选择偶数工作模态，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，将待测复磁导率的材料沿复磁导率测量孔(7)插入谐振腔并选择偶数工作模态，将待测复介电常数的材料沿复介电常数测量孔(8)插入谐振腔，并选择奇数工作模态，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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