CN109541322B - 一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，包括夹具本体和隔热垫层，所述夹具本体由微带线组成，所述微带线包括接地板、介质材料层、导带和馈电转接头，在所述接地板中，还设有冷却结构。本发明能够准确测量高温宽频状态下微波材料的复介电常数，并能有效避免高温状态下对测试夹具的损坏。

Description

一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置

技术领域

本发明涉及微波测试技术领域，更具体地，涉及一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置。

背景技术

随着科技技术以及通信技术的高速发展，微波材料在雷达导航、航空航天、微波通信、国防军工、电子技术和新材料等众多领域得到广泛的应用。但是，在使用微波材料的过程中，经常会出现微波材料温度升高、周围环境电磁波频段发生变化等情况。温度的升高和环境电磁波频段的变化会带来微波材料介电常数的改变，进一步影响电磁波在微波材料中的传播特性。因此，对高温度、宽频段情况下微波材料介电常数的准确、高效测量就显得尤为重要。

现有的微带线结构一般情况下不能满足高温和宽频的需求，容易出现温度过高损害微带线导带等问题。在这种情况下，原有的微带线夹具不再适合现有的测试条件。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，用以准确测量高温宽频状态下微波材料的复介电常数，并能有效避免高温状态下对测试夹具的损坏。

本发明提供一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，包括夹具本体和隔热垫层，所述夹具本体由微带线组成，所述微带线包括接地板、介质材料层、导带和馈电转接头，在所述接地板中，还设有冷却结构。

其中，在进行高温测量时，将所述隔热垫层敷设于所述导带的表面上，并将待测微波材料置于所述隔热垫层上方。

其中，所述冷却结构为贯穿所述接地板的冷却通道，且所述冷却通道中设有可流动的冷却液。

其中，所述介质材料层具体为耐受温度高于设定温度且热膨胀系数小于设定系数的氮化硼材料、蓝宝石薄膜或云母片材料层。

其中，所述隔热垫层具体为气凝胶或者颗粒尺寸小于设定值的氮化铝粉末或氮化硼粉末，且所述隔热垫层的厚度为0-0.15mm。

其中，所述夹具本体的尺寸由电磁波在空间中传播时的主模传输和阻抗匹配确定。

其中，根据所述隔热垫层的厚度和介电常数，结合测量的S参数，反推所述待测微波材料的复介电常数。

本发明提供的一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，通过在传统常温下微带线测量装置的基础上增加水冷装置和耐高温的隔热垫层，以避免高温状态下对测试夹具的损坏，尤其是对夹具中导带的损坏。在根据测量S参数反推被测材料复介电常数时，考虑到隔热垫层厚度及其介电常数，能够准确测量高温宽频状态下微波材料的复介电常数，并能有效避免高温状态下对测试夹具的损坏。

附图说明

图1为本发明实施例一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置中添加隔热垫层后的电容截面示意图；

图3为根据本发明实施例一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置中水冷通道的横切面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明实施例的一个实施例，本实施例提供一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，参考图1，为本发明实施例一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置的结构示意图，包括夹具本体，夹具本体由微带线组成，该微带线包括接地板101、介质材料层102、导带和馈电转接头103。另外该夹具装置还包括隔热垫层104，以及在接地板101中，还设有冷却结构105。

可以理解为，如图1所示，本实施例在常规微带线法测量微波材料复介电常数夹具装置的基础上，增设隔热垫层104和冷却结构105。在进行高温测量时，将隔热垫层104敷设于导带的表面上，并将待测微波材料106置于隔热垫层104上方。

其中可选的，隔热垫层104进一步具体为气凝胶、氮化铁粉末或者颗粒尺寸小于设定值的氮化铝粉末或氮化硼粉末。其中，隔热垫层104是可以更换的。例如，可以在每次试验之前对隔热垫层104进行更换一次。

此外，隔热垫层105的厚度不宜过厚，一般不超过0.15mm，即厚度范围为0-0.15mm。应当理解的是，实际应用中隔热垫层105可以包括但不限于以上所列举物质，此处并不对本发明实施例保护范围进行限定。

本发明实施例提供的一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，通过在传统常温下微带线测量装置的基础上增加水冷装置和耐高温的隔热垫层，以避免高温状态下对测试夹具的损坏，尤其是对夹具中导带的损坏。在根据测量S参数反推被测材料复介电常数时，考虑到隔热垫层厚度及其介电常数，能够准确测量高温宽频状态下微波材料的复介电常数，并能有效避免高温状态下对测试夹具的损坏。

可以理解的是，在添加隔热垫层并置入待测微波材料之后，微带线的各电位函数，以及各电位函数在不同分层所对应的边界条件均会发送改变。如图2所示，为根据本发明实施例一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置中添加隔热垫层后的电容截面示意图，其中，201层表示微带线介质材料层，202层表示隔热垫层，203层表示待测微波材料层，204层表示空气层，w表示微带线导带宽度。

其中，在一个实施例中，冷却结构105为贯穿接地板101的冷却通道，且该冷却通道中设有可流动的冷却液。由于微带线结构关系，经过一系列仿真确定，在保证微带线接地板一定厚度，如0.035mm之后，再对微带线进行设计不影响微带线自身性能，可以依据工艺要求在可以达到的工艺范围之后添加冷却结构105。

针对高温状态下的微带线夹具设计，可以对微带线的各个分层分别进行设计。如图1所示，包括：接地板101、介质材料层102、导带、隔热垫层104和高频2.92mm馈电转接头103。

其中，考虑到散热，在接地板101内进行水冷设计，即在接地板101内设计水冷通道，实现高温情况下的快速、有效散热。水冷通道的示意图如图3所示，为根据本发明实施例一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置中水冷通道的横切面结构示意图，其中横向管道为水冷通道，贯穿接地板101。冷却水由

进水口注入水冷通道，并由

出水口流出，在经过接地板101时，将接地板101中的热量带出，实现接地板101的冷却降温。

另外，在接地板101上，以沉积的形式沉积上厚度均匀平整的微带线介质材料层102。微带线介质材料层102选择氮化硼、蓝宝石或氮化铁、云母片等耐高温性较好的材料。在微带线介质材料层102的中央以光刻的形式光刻一条微带线导带，导带的材质一般选择金。或者，导带采用磁控溅射的方法进行镀敷，并在镀敷的基础上覆盖一层金以防止氧化。两个高频2.92mm馈电转接头103通过同轴电缆和与矢量网络分析仪相连接。

本发明实施例提供的一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，通过在微带线夹具的接地板内设置水冷通道，能够更快速、有效的将待测微波材料传导至微带线夹具的热量散去，能够更有效的保护微带线夹具免受高温损坏。

其中，在另一个实施例中，如图1所示，夹具装置还包括金属屏蔽墙107，金属屏蔽墙107连接于微带线接地板101两端，且垂直于微带线夹具本体。例如可以通过螺丝钉把金属屏蔽墙107与下面的微带线接地板101连接在一起。

其中可选的，根据上述实施例中的金属屏蔽墙107的宽度不低于20倍的微带线导带宽度，高度不低于10倍的微带线介质材料层102的厚度。其中，微带线导带宽度是指微带线导带的宽度。

其中，根据上述实施例，所述装置的测试温度范围为20℃～1300℃。

其中，在一个实施例中，分别设置微带线介质材料层102的厚度范围为0.5cm-10cm、0.5mm-1mm和0.1mm-0.5mm，进行微波试验。在该测试条件下，三个厚度范围分别对应的测试频段范围为100MHz-1GHz，1GHz-26.5GHz和26.5GHz-50GHz。分别在三个测试频率范围下均能够进行有效的微波测试试验。

通过阻抗匹配和变分情况下的主模传输计算，确定微带线夹具尺寸，以获取所述试验频率范围。

可以理解为，微带线尺寸可以从两个方面考虑：一是阻抗匹配，相当于矢量网络分析仪这个仪器有阻抗，微带线自身也有阻抗，这个阻抗相等，都是50Ω；二是由于使用的是变分法准静态情况，所以在设计微带线尺寸的时候，满足微带线传输过程中传输准TEM模。即：

(1)准TEM模传输

微带线在正常工作时，除了准TEM外还有可能产生波导和表面模，这些高次模应该是尽量避免的，通过控制微带线尺寸可以起到一定的抑制作用，尺寸满足下列关系式：

式中，λ_min表示微带线的最小工作波长，w表示微带线结局导带宽度，h表示微带线介质层高层，ε_r1表示微带线介质层介电常数。

(2)阻抗匹配

给定微带线阻抗Z₀＝50Ω时，可以通过下式子得到关于微带线介质层厚度h和微带线导带宽度w之间的关系式：

式中，

鉴于以上两种考虑，考虑到实际微带线加工问题，对于高频微带线应该尽量选择低介电常数微带线介质材料，对于低频情况下微带线应该尽量选择高介电常数材料。

同时，确定加入所述隔热垫层和所述待测微波材料下，所述微带线夹具各层所对应的电位函数和边界条件；根据介质电容求解公式，以及求解过程中间变量与各所述电位函数、所述边界条件以及所述待测微波材料的介电常数的换算关系，获取所述微带线夹具关于所述待测微波材料的介电常数的微带线电容。

应当理解的是，微带线在进行宽频情况下的测试时，对于微带线及测试样品有不同尺寸的要求，对于不同介质材料会有不同的微带线尺寸要求。依据阻抗匹配原理和微带线传输过程中色散特性的影响，可以确定不同频段内微带线的不同尺寸，在低频和高频阶段的微带线尺寸问题都依照两个原则进行选择：

第一，和矢量网络分析仪之间的阻抗匹配问题，既满足微带线空载时特性阻抗50Ω，此时可以达到较好的阻抗匹配，降低反射系数；第二，微带线传输过程中，由于容易发生色散，会在一定程度上影响整个计算过程。所以实际应用中需要控制微带线夹具的尺寸，一般在低频阶段微带线尺寸为毫米量级，高频阶段微带线尺寸为微米量级。该状态下既可以有效防止色散效应，又可以提高测试精度。

一般的，将待测频段100MHz-50GHz分为三组进行测量，即100MHz-1GHz，1GHz-26.5GHz和26.5GHz-50GHz。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高温宽频微波材料复介电常数测量夹具装置，其特征在于，包括夹具本体和隔热垫层，所述夹具本体由微带线组成，所述微带线包括接地板、介质材料层、导带和馈电转接头，在所述接地板中，还设有冷却结构；

其中，所述夹具本体的尺寸由电磁波在空间中传播时的主模传输和阻抗匹配确定；

在所述主模传输下，所述微带线的尺寸满足如下关系式：

式中，λ_min表示微带线的最小工作波长，w表示微带线导带宽度，h表示微带线介质层厚度，ε_r1表示微带线介质层介电常数；

在所述阻抗匹配中，当给定微带线阻抗Z₀时，通过如下公式确定微带线介质层厚度h和微带线导带宽度w之间的关系：

式中，

2.根据权利要求1所述的夹具装置，其特征在于，在进行高温测量时，将所述隔热垫层敷设于所述导带的表面上，并将待测微波材料置于所述隔热垫层上方。

3.根据权利要求1或2所述的夹具装置，其特征在于，所述冷却结构为贯穿所述接地板的冷却通道，且所述冷却通道中设有可流动的冷却液。

4.根据权利要求1或2所述的夹具装置，其特征在于，所述介质材料层具体为耐受温度高于设定温度且热膨胀系数小于设定系数的氮化硼材料、蓝宝石薄膜或云母片材料层。

5.根据权利要求1或2所述的夹具装置，其特征在于，所述隔热垫层具体为气凝胶或者颗粒尺寸小于设定值的氮化铝粉末或氮化硼粉末，且所述隔热垫层的厚度为0-0.15mm。

6.根据权利要求1所述的夹具装置，其特征在于，根据所述隔热垫层的厚度和介电常数，结合测量的S参数，反推所述待测微波材料的复介电常数。

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