CN110333395B - 一种材料介电性能的精确测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料介电性能的精确测试方法及系统，包括：通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；对所述等式关系进行线性化处理；根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。本发明有益效果：采样点数越多，有效利用了所有的数据采样点，充分利用幅度相位信息，在不增加任何硬件成本的前提下，提高谐振频率和品质因数提取精度，降低随机噪声对提取精度的影响。
Description
技术领域
本发明属于材料介电性能测试技术领域，尤其涉及一种材料介电性能的精确测试方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在材料介电性能的测试中，用谐振腔法来测量材料的介电特性是通过获得谐振频率和品质因数来计算获得。因此获取谐振频率和品质因数的精确度越高，材料测试测试的精度就越高。本发明针对的是一种精确获取谐振腔谐振频率与品质因数的方法，利用矢网获得的S参数的幅度相位的扫频信号，通过一种线性回归方式，减少矢网获取信号的误差，提高谐振频率和品质因数获取的精度，从而提高谐振腔法材料测试的测试精度。
矩形谐振腔微扰法的测量原理如图1所示，选取适当的矩形腔尺寸使TE10n(n为奇数)模式图1所示为典型的谐振腔法材料测试场景示意图，利用信号产生与收发设备进行信号的产生与接收，常用的信号收发设备为矢量网络分析仪或标量网络分析仪，激励谐振腔产生谐振曲线，谐振曲线包含当前测试信号的谐振频率和品质因数，3dB法谐振频率和品质因数提取原理示意图如图2所示，首先搜索测试数据的最大值，记为Amax，其对应的频率f0即为当前测试数据的谐振频率，然后计算最大减3dB对应的频率，记为Amax-3dB，Amax-3dB对应的频率包含左右两个，记为f2、f1，于是当前测试数据的品质因数采用公式(1)进行计算，
f0和
即为测试数据的谐振频率和品质因数。
上述的获取谐振腔谐振频率与品质因数的方法优点是计算简单，但是，测试时受环境因素影响大，获取的谐振频率和Q值波动大，导致介电特性的测试结果波动大，测试误差大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种材料介电性能的精确测试方法及系统，利用矢网获得的S参数的幅度相位的扫频信号，通过一种线性回归方式，减少矢网获取信号的误差，提高谐振频率和品质因数获取的精度，从而提高谐振腔法材料测试的测试精度。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种材料介电性能的精确测试方法，包括：
通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；
记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；
建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；
对所述等式关系进行线性化处理；
根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；
通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；
根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；
通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种材料介电性能的精确测试系统，包括：
用于通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线的装置；
用于记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据的装置；
用于建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系的装置；
用于对所述等式关系进行线性化处理的装置；
用于根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式的装置；
用于通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽的装置；
用于根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素的装置；
用于通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的材料介电性能的精确测试方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的材料介电性能的精确测试方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明方法采样点数越多，有效利用了所有的数据采样点，充分利用幅度相位信息，在不增加任何硬件成本的前提下，提高谐振频率和品质因数提取精度，降低随机噪声对提取精度的影响。
(2)本发明采样带宽与3dB宽度之比在1.5～2之间，获取谐振频率和品质因数更精确。
(3)本发明适用于利用矢量网络分析仪搭建的谐振腔材料测试系统；可适用于分体式谐振腔、同轴谐振腔、矩形波导谐振腔等多种谐振腔材料测试方法。
附图说明
图1为现有技术中谐振腔法测量图；
图2为现有技术中3dB法谐振频率和品质因数提取原理示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种材料介电性能的精确测试方法，具体包括如下步骤：
(1)首先，按图1所示进行信号产生于接收设备和谐振腔之间的连接，激励腔体得到谐振曲线，记录其测试频率数据为f1,f2,…fj，与测试频率一一对应的复信号数据为S21(f1),S21(f2),…S21(fj)；谐振频率与品质因数是这多个测试频率和复信号提取出的唯一的特征值。
(2)建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；
复传输系数S21(f)可以被表示为：
其中，f为测试频率，S21(f)为矢网获取的每个对应频率f的复信号，fB为3dB扫频带宽，fR为谐振频率，
为与频率无关的相位常量，|S21|max为矢网获取的谐振频率点的幅度值，i为复数形式。
通过公式(2)可以计算出谐振频率fR以及3dB带宽fB，由于品质因素Q＝fR/fB，因此通过求解该公式可以得到谐振频率以及品质因数。
(3)对所述等式关系进行线性化处理；
对式(2)进行简化：
式(3)中：
将式(3)转化为线性公式：
式(6)中，
(4)根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；
根据最小二乘法求解原理，定义最小二乘法公式为：
式中j表示采样频率点,Wj为每个频率点数据对应的权重系数，χ2为最小二乘法的一个中间变量。
(5)通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；
通过复线性回归得到：
Wj＝A|S21(fi)|4 (10)
式中A为未知常量。
令
其中，a、b、p、q、uj、vj分别为上式中实部和虚部的未知变量；通过对公式(9)进行a、b、p、q求偏导可得到下列方程组：
求解该方程组可以得到a、b、p、q从而通过式(11)、(12)得到
再通过(4)、
(5)、(7)、(8)可以得到fR、fB。从而得谐振频率fR和品质因数：Q＝fR/fB。
可见，采用本发明的提取方法，每个采样数据均对参数的提取作了贡献，因而能够有效抑制杂波和噪声，提高测试精度。
实施例二
在一个或多个实施例中，公开了一种材料介电性能的精确测试系统，包括：
用于通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线的装置；
用于记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据的装置；
用于建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系的装置；
用于对所述等式关系进行线性化处理的装置；
用于根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式的装置；
用于通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽的装置；
用于根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素的装置；
用于通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性的装置。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的材料介电性能的精确测试方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的材料介电性能的精确测试方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，包括：
通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；
记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；
建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；
对所述等式关系进行线性化处理；
根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；
通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；
根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；
通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。
2.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系，具体为：
其中，f为测试频率，S21(f)为获取的每个对应频率f的复信号，fB为3dB带宽，fR为谐振频率，
为与频率无关的相位常量，|S21|max为获取的谐振频率点的幅度值。
3.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，对所述等式关系进行线性化处理，具体为：
将所述等式关系简化为：
其中，
其中，S21(f)为获取的每个对应频率f的复信号，fB为3dB带宽，fR为谐振频率，
为与频率无关的相位常量，|S21|max为获取的谐振频率点的幅度值；
将简化后的等式转化为线性公式，
其中，
4.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式，具体为：
其中，j表示采样频率点,Wj为每个频率点数据对应的权重系数；χ2为最小二乘法的一个中间变量，
为中间变量，
是第j个采样频点的S21的倒数。
5.如权利要求4所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽，具体为：
通过复线性回归得到Wj＝A|S21(fj)|4，其中，A为未知常量，fj是第j个采样点的频率；
令
其中，a、b、p、q、uj、vj分别为上式中实部和虚部的未知变量；
将上述参数带入最小二乘法公式，对a、b、p、q求偏导，得到a、b、p、q参数的值；进而求得
的值，根据公式
求得
和
的值；进而求得谐振频率fR和3dB带宽fB。
6.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素，具体为：
Q＝fR/fB
其中，fB为3dB带宽，fR为谐振频率。
7.一种材料介电性能的精确测试系统，其特征在于，包括：
用于通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线的装置；
用于记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据的装置；
用于建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系的装置；
用于对所述等式关系进行线性化处理的装置；
用于根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式的装置；
用于通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽的装置；
用于根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素的装置；
用于通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性的装置。
8.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的材料介电性能的精确测试方法。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的材料介电性能的精确测试方法。
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