CN110441614A - 低损耗材料微波介电测试中te011谐振模式的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低损耗材料微波介电测试中识别TE₀₁₁谐振模式的方法。该方法引入了具有已知介电常数的基准试样。根据谐振器中只放置基准试样及同时放置基准试样和待测试样时TE₀₁₁模式谐振频率的变化，即可通过数值方法计算出待测试样的介电常数，并由此进一步计算出只放置待测试样、进行微波介电性能测试时TE₀₁₁模式的谐振频率。此谐振频率的计算值与实际测试值相差在1％以内，因此能准确地将TE₀₁₁模式从大量干扰模式中识别出来。与之前TE₀₁₁谐振模式的识别方法相比，本发明提供的方法具有准确、简单、快速的特点。

Description

低损耗材料微波介电测试中TE011谐振模式的识别方法

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，特别涉及低损耗材料微波介电性能的测试技术。

背景技术

低损耗介电材料在微波通讯领域内有着非常广泛的应用，其微波介电性能的精确评价对实际应用有着重要的意义。精确评价低损耗材料微波介电性能的方法为介质谐振法，通常使用平行板和谐振腔法中的TE₀₁₁模式。所有的微波介质谐振系统均为多模系统，若在测试中将干扰模式当作测试所需谐振模式会导致测试结果完全错误。因此，TE₀₁₁谐振模式的正确识别是低损耗材料微波介电测试中需要解决的首要问题。到目前为止，基本通过以下两种方法进行TE₀₁₁模式的识别：1)利用TE₀₁₁谐振模式中与电磁场分布相关的耦合条件、谐振频率随金属壁与试样间距离的增加而降低等特征排除干扰模式。但这种方法只能排除部分干扰模式，且严重依赖于测试经验，容易造成模式识别错误。2)将试样制备成平板电容器，测试其在较低频率(如1MHz)下的介电常数，并将其作为微波频段下的介电常数，由此估算TE₀₁₁模式对应的谐振频率。这种方法较为复杂，同时由于介电常数的测试频率比谐振所在的微波频段低若干个数量级，可能使得估算的谐振频率偏离实际较多，同样会导致模式识别错误。因此，发展准确识别TE₀₁₁谐振模式的新方法，对于低损微波介电材料的性能评价及开发具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为低损耗材料微波介电测试提供一种识别TE₀₁₁谐振模式的方法，该方法具有准确、简单、快速的特点。

本发明中识别低损耗材料微波介电测试时TE₀₁₁谐振模式的方法，使用平行板谐振器或金属腔谐振器，同时引入具有已知介电常数的基准试样。具体测试步骤如下：

(1)将具有已知介电常数ε_r,R的基准试样R放置在谐振器内。根据基准试样的尺寸及介电常数ε_r,R，用数值方法计算TE₀₁₁模式的谐振频率f_0,A。用网络分析仪在f_0,A±1％的范围内找到TE₀₁₁模式的谐振峰，记录谐振频率f_0,1。

(2)将待测试样S缓慢放置在基准试样R上，放置过程中观测TE₀₁₁模式谐振峰的移动，并记录放置完毕后的谐振频率f_0,2。根据基准试样的尺寸、介电常数ε_r,R、待测试样的尺寸及谐振频率f_0,2，用数值方法计算得到待测试样S的介电常数ε_r,S。

(3)将待测试样S和基准试样R移出谐振器，将待测试样S单独放置在谐振器中。根据待测试样的尺寸及介电常数ε_r,S，用数值方法计算出只放置待测试样S时TE₀₁₁模式的谐振频率f_0,B。用网络分析仪在f_0,B±1％的范围内找到单独放置试样S时TE₀₁₁模式的谐振峰，记录谐振频率f_0,3，完成模式识别。

本发明中所述的低损耗指介电材料的介电损耗小于0.1。

本发明提供的模式识别方法利用了只放置介电常数已知的基准试样及同时放置基准试样和待测试样时TE₀₁₁模式均易识别的特点，根据两种情况下TE₀₁₁模式谐振频率的变化，较精确地计算出待测试样的介电常数，并进一步准确预测出只放置待测试样时TE₀₁₁模式的谐振频率，因此可以有效避免以往方法中易出现的模式识别错误。

本发明能够对介电常数小于1000、介电损耗小于0.1的低损耗介电材料在1-40GHz频率范围内进行微波介电性能测试时所用的TE₀₁₁谐振模式进行准确识别。利用本发明提供的方法，计算得到的TE₀₁₁模式谐振频率与实际测试值之间的相对误差在1％以内。

附图说明

图1是第(1)、(2)步中TE₀₁₁模式谐振峰附近的散射参数|S₂₁|随频率变化的示意图，并标出了第(1)步中计算的谐振频率f_0,A及第(1)、(2)步中实际测试的谐振频率f_0,1、f_0,2。

图2是第(3)步中10～20GHz范围内散射参数|S₂₁|随频率变化的示意图，并标出了第(3)步中计算的TE₀₁₁模式谐振频率f_0,B及实际测试的谐振频率f_0,3。两者差别不超过1％，因此能准确地将TE₀₁₁模式从其它干扰模式中识别出来。

具体实施方式

TE₀₁₁模式是低损耗材料微波介电性能测试中最常用的谐振模式，其谐振频率由谐振器内放置的试样的介电常数及尺寸决定。本发明中待测试样TE₀₁₁模式的识别步骤如下：

(1)将直径D_R、厚度H_R、介电常数ε_r,R的基准试样R放置在谐振器内，此时谐振系统TE₀₁₁模式的谐振频率f_0,A由D_R、H_R、ε_r,R决定。利用数值方法可由D_R、H_R、ε_r,R求得f_0,A。使用网络分析仪测试散射参数|S₂₁|，并在f_0,A附近找到TE₀₁₁模式的谐振峰，记录实测的谐振频率f_0,1(如图1所示)。f_0,A与f_0,1的差别不超过1％。

(2)将直径D_S、厚度H_S、介电常数ε_r,R未知的待测试样S放置在基准试样R上，放置过程中使用网络分析仪测试散射参数|S₂₁|，观测TE₀₁₁模式谐振峰的移动，并记录放置完毕后的谐振频率f_0,2(如图1所示)。f_0,2由D_R、H_R、ε_r,R、D_S、H_S、ε_r,S决定，故可利用数值方法由f_0,2、D_R、H_R、ε_r,R、D_S、H_S求得ε_r,S。

(3)将待测试样S和基准试样R移出谐振器，将待测试样S单独放置在谐振器中。此时谐振系统TE₀₁₁模式的谐振频率f_0,B由D_S、H_S、ε_r,S决定。利用数值方法可由D_S、H_S、ε_r,S求得f_0,B。用网络分析仪测试散射参数|S₂₁|，在f_0,B附近找到TE₀₁₁模式的谐振峰，记录实测的谐振频率f_0,3，完成模式识别(如图2所示)。f_0,B与f_0,3的差别不超过1％。

采用本发明提供的方法对介电常数未知的待测试样S1～S5对应的TE₀₁₁谐振模式进行识别。使用圆柱形金属谐振腔装载试样。待测试样的直径及厚度见表1。使用的基准试样为R1-R4，直径、厚度及介电常数见表1。

TE₀₁₁模式识别过程中涉及到的具体数据见表2。对于不同基准试样及待测试样的组合，待测试样S1-S5对应的TE₀₁₁模式谐振频率的计算值f_0,B均与其实测值f_0,3很接近，两者之间的差别为0.38～0.92％，因此能准确地将TE₀₁₁模式从其它干扰模式中识别出来。

本发明中可以采用的“数值计算方法”有很多种，虽然较为复杂，但都是成熟的方法，或者也可以参考以下英文书籍中第5章所详细介绍的具体方法进行：Darko Kajfez,Pierre Guillon 1998Dielectric Resonators second edition(Atlanta:NoblePublishing Corporation).

表1

表2

Claims (1)

1.一种在低损耗材料微波介电测试中识别TE₀₁₁谐振模式的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将具有已知介电常数ε_r,R的基准试样R放置在谐振器内，根据基准试样的尺寸及介电常数ε_r,R，用数值方法计算TE₀₁₁模式的谐振频率f_0,A；用网络分析仪在f_0,A±1％的范围内找到TE₀₁₁模式的谐振峰，记录谐振频率f_0,1；

(2)将待测试样S放置在基准试样R上，放置过程中观测TE₀₁₁模式谐振峰的移动，并记录放置完毕后的谐振频率f_0,2；根据基准试样的尺寸、介电常数ε_r,R、待测试样的尺寸及谐振频率f_0,2，用数值方法计算得到待测试样S的介电常数ε_r,S；

(3)将待测试样S和基准试样R移出谐振器，将待测试样S单独放置在谐振器中；根据待测试样的尺寸及介电常数ε_r,S，用数值方法计算出只放置待测试样S时TE₀₁₁模式的谐振频率f_0,B；用网络分析仪在f_0,B±1％的范围内找到TE₀₁₁模式的谐振峰，记录谐振频率f_0,3，完成模式识别。