CN110596463A - 用于测量介质介电常数的同轴测量装置、测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量介质介电常数的同轴测量装置、测试系统及方法，该测量装置包括同轴段，所述同轴段由两根同轴的圆柱导体构成，且靠近同轴段端部位置的内外导体之间分别设置一同轴玻璃挡板，在两个同轴玻璃挡板之间的内外导体之间放置待测介质；所述同轴段两端口分别通过接头与一过度段空气同轴线同轴连接。本发明通过设置两个同轴玻璃挡板使得同轴段不仅可以放置固体介质也可以放置液体介质，即本发明不仅能够测量固体介质的介电常数，而且还可以测量液体介质的介电常数，解决了现有介质常数测量装置无法测量液体介电常数的技术问题。

Description

用于测量介质介电常数的同轴测量装置、测试系统及方法
技术领域
本发明涉及介电常数测试技术领域，具体涉及用于测量介质介电常数的同轴测量装置、测试系统及方法。
背景技术
随着科技的不断的发展和对微波研究投入的不断加大，对于介电常数的测量，已形成多种行之有效的测量方法，在传统的测量方法中，主要可以划分为谐振腔法和网络参数法。谐振腔法又可划分为高Q谐振腔法、谐振腔微扰法等，网络参数法也可划分为传输反射法、多厚度法、自由空间法等多种方法。现如今又涌现了一些基于数据处理的介电常数测量的方法，如神经网络法——该方法通过建立神经网络并利用大量的数据来进行训练，进而对介质的介电常数进行测量。
然而现有的测量装置及方法仅能测量固体介质介电常数，而无法实现对液体介质的介电常数进行测量。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于测量介质介电常数的同轴测量装置。该装置不仅能够对液体介质的介电常数进行测量，也可以对固体介质的介电常数进行测量。
本发明通过下述技术方案实现：
用于测量介质介电常数的同轴测量装置，该测量装置包括同轴段，所述同轴段由两根同轴的圆柱导体构成，且靠近同轴段端部位置的内外导体之间分别设置一同轴玻璃挡板，在两个同轴玻璃挡板之间的内外导体之间放置待测介质；所述同轴段两端口分别通过接头与一过度段空气同轴线同轴连接。
优选的，所述待测介质为固体介质或液体介质。
另一方面，本发明还提出了一种用于测量介质介电常数的同轴测试系统，包括矢量网络分析仪、计算机和上述同轴测量装置；所述矢量网络分析仪与所述同轴测量装置连接，得到该同轴测量装置两端口的散射参数并将其发送给计算机；所述计算机对所述同轴测量装置进行数值求解得到该同轴测量装置两端的散射系数S21，并将计算得到的散射系数S21与矢量网络分析仪测量得到的散射参数进行对比，即得到待测介质的介电常数。
优选的，该系统还包括校准件，用于在将所述矢量网络分析仪与所述同轴测量装置连接之前对所述矢量网络分析仪进行校准。
优选的，所述计算机对所述同轴测量装置进行数值求解得到该同轴测量装置两端的散射系数S21具体包括：所述同轴测量装置从输入端至输出端依次包括4个不同介质分界面，包括：空气与第一同轴玻璃介质的分界面SⅠ，第一同轴玻璃介质与待测介质的分界面SⅡ，待测介质与第二同轴玻璃介质的分界面SⅢ和第二同轴玻璃介质与空气的分界面SⅣ；然后求解出各分界面处的散射矩阵；最后根据散射矩阵与端口的关系，即可得到该同轴测量装置的散射系数S21。
优选的，所述散射系数S21表示为：
式中，b42表示同轴测量装置输出端口的出射波，a11表示同轴测量装置输入端口的入射波，d1为第一同轴玻璃挡板的厚度，d2为待测介质的厚度，d3为第二同轴玻璃挡板的厚度，ε1为同轴玻璃的介电常数，ε2为待测介质的介电常数。
最后，本发明还提出了一种用于测量介质介电常数的同轴测试方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，对矢量网络分析仪进行校准；
步骤S2，将待测介质放置于上述同轴测量装置中，并通过转接头将该同轴测量装置连接到矢量网络分析仪上，通过矢量网络分析仪测量得到该同轴测量装置两端口的散射参数并将其发送给计算机；
步骤S3，所述计算机对同轴测量装置进行数值计算得到该同轴测量装置两端口的散射系数S21，将计算得到的散射系数S21与矢量网络分析仪测量得到的同轴测量装置两端口的散射参数进行对比，利用相位进行求解，即可计算出待测介质的介电常数。
优选的，所述步骤S3中计算得到的同轴测量装置两端口的散射系数S21为：
式中，b42表示同轴测量装置输出端口的出射波，a11表示同轴测量装置输入端口的入射波，d1为第一同轴玻璃挡板的厚度，d2为待测介质的厚度，d3为第二同轴玻璃挡板的厚度，ε1为同轴玻璃的介电常数，ε2为待测介质的介电常数。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、相较于现有测量介电常数的技术，本发明通过设置两个同轴玻璃挡板使得同轴段不仅可以放置固体介质也可以放置液体介质，即本发明不仅能够测量固体介质的介电常数，而且还可以测量液体介质的介电常数，解决了现有介质常数测量装置无法测量液体介电常数的技术问题。
2、本发明将数值计算方法与实际测量相结合，能够提高测试结果的可靠性。
3、本发明在同轴段两端根本连接过渡段空气同轴线，便于将同轴测量装置转换连接到矢量网络分析仪。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的不同介质分界面处的等效示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了用于测量介质介电常数的同轴测量装置，该测量装置包括同轴段，所述同轴段由两根同轴的圆柱导体构成，且靠近同轴段端部位置的内外导体之间分别设置一同轴玻璃挡板，在两个同轴玻璃挡板之间的内外导体之间放置待测介质；所述同轴段两端口分别通过接头与一过度段空气同轴线同轴连接。即如图1所示，该测量装置本体采用五段式同轴设计，从输入端至输出端(即从左至右)依次为：用于过度的过度段同轴线A、第一同轴玻璃挡板F、用于放置待测介质的同轴段部分C、第二同轴玻璃挡板G(F、C、G均是设置在同轴段内)和用于过度的过度段同轴线E；且所述过度段同轴线A与同轴段通过标准同轴接头B同轴连接，所述过渡段同轴线E通过标准同轴接头D同轴连接。
本实施例中，考虑到待测介质尺寸较大，且无法进行切割时，而矢量网络分析仪的连接与校准接头尺寸较小，难以匹配，因此同轴测量装置需采用过渡设计(即通过在同轴段两端设置过渡的过渡段空气同轴线)来确保能够将同轴待测介质装入并转换连接到矢量网络分析仪上。
本实施例中，通过在同轴段放置同轴玻璃挡板，该同轴测量装置不仅可以在C处(放置待测介质的同轴段)放置固体介质而且可以放置液体介质，并实现对待测介质介电常数的测量。
实施例2
基于上述实施例1提出的同轴测量装置，本实施例还提出了一种用于测量介质介电常数的同轴测试系统，包括矢量网络分析仪、计算机和上述同轴测量装置；所述矢量网络分析仪与所述同轴测量装置连接，得到该同轴测量装置两端口的散射参数并将其发送给计算机；所述计算机对所述同轴测量装置进行数值求解得到该同轴测量装置两端的散射系数S21，并将计算得到的散射系数S21与矢量网络分析仪测量得到的散射参数进行对比，即得到待测介质的介电常数。
本实施例中，该系统还包括校准件，用于在将所述矢量网络分析仪与所述同轴测量装置连接之前对所述矢量网络分析仪进行校准。
优选的，所述计算机对所述同轴测量装置进行数值求解得到该同轴测量装置两端的散射系数S21具体包括：
在该同轴测量装置中，[Sm]表示两种不同介质分界面处的等效网络散射参数，其值为：
则所述同轴测量装置从输入端至输出端依次包括4个不同介质分界面，如图2所示，从输入端口至输出端口依次包括：空气与第一同轴玻璃介质的分界面SⅠ，第一同轴玻璃介质与待测介质的分界面SⅡ，待测介质与第二同轴玻璃介质的分界面SⅢ和第二同轴玻璃介质与空气的分界面SⅣ；
其中，d1为第一同轴玻璃挡板的厚度，d2为同轴待测介质的厚度，d3为第二同轴玻璃挡板的厚度，ε1(已知)为同轴玻璃的介电常数，ε2(未知)为待测介质的介电常数。依次求解出各分界面处的散射矩阵，其值分别为：
设a11和b21，并根据散射矩阵与端口的关系，逐步进行计算得到a11、b11、a42和b42，则可以得到该同轴测量装置的散射系数S21(该S21是对该装置两端测量的散射矩阵进行端面移动到空气同轴线和同轴玻璃挡板分界面的值)，其值为：
最后通过和矢量网络分析仪测量的散射矩阵进行对比，进而可以得到待测介质的介电常数。
实施例3
基于上述实施例1和实施例2，本实施例还提出了一种用于测量介质介电常数的同轴测试方法，包括：
步骤S1，对矢量网络分析仪进行校准；
步骤S2，将待测介质放置于上述同轴测量装置中，并通过转接头将该同轴测量装置连接到矢量网络分析仪上，通过矢量网络分析仪测量得到该同轴测量装置两端口的散射参数并将其发送给计算机；
步骤S3，所述计算机对同轴测量装置进行数值计算得到该同轴测量装置两端口的散射系数S21，将计算得到的散射系数S21与矢量网络分析仪测量得到的同轴测量装置两端口的散射参数进行对比，利用相位进行求解，即可计算出待测介质的介电常数。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于测量介质介电常数的同轴测量装置，其特征在于，该测量装置包括同轴段，所述同轴段由两根同轴的圆柱导体构成，且靠近同轴段端部位置的内外导体之间分别设置一同轴玻璃挡板，在两个同轴玻璃挡板之间的内外导体之间放置待测介质；所述同轴段两端口分别通过接头与一过度段空气同轴线同轴连接。
2.根据权利要求1所述的用于测量介质介电常数的同轴测量装置，其特征在于，所述待测介质为固体介质或液体介质。
3.用于测量介质介电常数的同轴测试系统，其特征在于，包括矢量网络分析仪、计算机和如权利要求1或2所述的同轴测量装置；所述矢量网络分析仪与所述同轴测量装置连接，得到该同轴测量装置两端口的散射参数并将其发送给计算机；所述计算机对所述同轴测量装置进行数值求解得到该同轴测量装置两端的散射系数S21，并将计算得到的散射系数S21与矢量网络分析仪测量得到的散射参数进行对比，即得到待测介质的介电常数。
4.根据权利要求3所述的用于测量介质介电常数的同轴测试系统，其特征在于，该系统还包括校准件，用于在将所述矢量网络分析仪与所述同轴测量装置连接之前对所述矢量网络分析仪进行校准。
5.根据权利要求3所述的用于测量介质介电常数的同轴测试系统，其特征在于，所述计算机对所述同轴测量装置进行数值求解得到该同轴测量装置两端的散射系数S21具体包括：所述同轴测量装置从输入端至输出端依次包括4个不同介质分界面，包括：空气与第一同轴玻璃介质的分界面SⅠ，第一同轴玻璃介质与待测介质的分界面SⅡ，待测介质与第二同轴玻璃介质的分界面SⅢ和第二同轴玻璃介质与空气的分界面SⅣ；然后求解出各分界面处的散射矩阵；最后根据散射矩阵与端口的关系，即可得到该同轴测量装置的散射系数S21。
6.根据权利要求5所述的用于测量介质介电常数的同轴测试系统，其特征在于，所述散射系数S21表示为：
式中，b42表示同轴测量装置输出端口的出射波，a11表示同轴测量装置输入端口的入射波，d1为第一同轴玻璃挡板的厚度，d2为待测介质的厚度，d3为第二同轴玻璃挡板的厚度，ε1为同轴玻璃的介电常数，ε2为待测介质的介电常数。
7.用于测量介质介电常数的同轴测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，对矢量网络分析仪进行校准；
步骤S2，将待测介质放置于如权利要求1或2所述的同轴测量装置中，并通过转接头将该同轴测量装置连接到矢量网络分析仪上，通过矢量网络分析仪测量得到该同轴测量装置两端口的散射参数并将其发送给计算机；
步骤S3，所述计算机对同轴测量装置进行数值计算得到该同轴测量装置两端口的散射系数S21，将计算得到的散射系数S21与矢量网络分析仪测量得到的同轴测量装置两端口的散射参数进行对比，利用相位进行求解，即可计算出待测介质的介电常数。
8.根据权利要求7所述的用于测量介质介电常数的同轴测试方法，其特征在于，所述步骤S3中计算得到的同轴测量装置两端口的散射系数S21为：
式中，b42表示同轴测量装置输出端口的出射波，a11表示同轴测量装置输入端口的入射波，d1为第一同轴玻璃挡板的厚度，d2为待测介质的厚度，d3为第二同轴玻璃挡板的厚度，ε1为同轴玻璃的介电常数，ε2为待测介质的介电常数。
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