CN111239498A - 材料介电性能的测试装置和测试方法 - Google Patents

材料介电性能的测试装置和测试方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111239498A
CN111239498A CN202010192691.5A CN202010192691A CN111239498A CN 111239498 A CN111239498 A CN 111239498A CN 202010192691 A CN202010192691 A CN 202010192691A CN 111239498 A CN111239498 A CN 111239498A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resonant cavity
concave mirror
open
electromagnetic wave
test
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010192691.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111239498B (zh
Inventor
宋锡滨
奚洪亮
艾辽东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maipu New Material Technology (Shandong) Co.,Ltd.
Original Assignee
Shandong Sinocera Functional Material Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Sinocera Functional Material Co Ltd filed Critical Shandong Sinocera Functional Material Co Ltd
Priority to CN202010192691.5A priority Critical patent/CN111239498B/zh
Publication of CN111239498A publication Critical patent/CN111239498A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111239498B publication Critical patent/CN111239498B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2623—Measuring-systems or electronic circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2635—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2688—Measuring quality factor or dielectric loss, e.g. loss angle, or power factor
    • G01R27/2694—Measuring dielectric loss, e.g. loss angle, loss factor or power factor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种材料介电性能的测试装置和测试方法。其中，该装置包括：电磁波吸收板、测试样品架、开放式谐振腔和网络分析仪，其中，开放式谐振腔由位于电磁波吸收板上方的第一凹面镜和第二凹面镜组成，且第一凹面镜和第二凹面镜的摆放角度和摆放位置可调节；以及该方法包括：在开放式谐振腔未加载待测试样品时，对开放式谐振腔进行测试；加载待测试样品并不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，直至开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振，再对开放式谐振腔进行测试；基于所测试数据计算待测试样品的材料介电性能。本发明解决了在高频条件下测试介电材料性能的方法存在各种缺陷的技术问题。

Description

材料介电性能的测试装置和测试方法
技术领域
本发明涉及性能测试领域，具体而言，涉及一种材料介电性能的测试装置和测试方法。
背景技术
介电材料性能的测试方法主要是网络参数法以及谐振腔法，相较而言网络参数法适用于较高介电损耗材料测试，而较低介电损耗材料通常采用谐振腔法进行测试。谐振腔法通常包括高Q腔法、谐振腔微扰法、介质谐振腔法以及开放式谐振腔法等，其中开放式谐振腔法适用于毫米波频段及太赫兹频段介电材料的介电性能测试。可查的开放式谐振腔结构有三种：双平腔结构、平凹腔结构、双凹腔结构，其中，双凹腔结构的一种对凹腔开放式谐振腔(两凹面镜正对放置)如共聚焦开放式共振腔可实现毫米波频段下(＞30GHz)大尺寸薄片状材料(100mm≥方片边长≥50mm)介电性能的检测。然而，对于特种材料检测来说难以提供大面积平行板状检测样品，对于较小尺寸样品(10mm—50mm)检测成为毫米波频段下材料介电性能检测的亟待解决难题之一。
需要说明的是：材料的介电行为主要是材料受电场影响而产生的极化现象，进而对于电场产生影响，故而高频条件下材料本身的介电常数与损耗因子的性质对于电子元件应用特别重要。
针对上述在高频条件下测试介电材料性能的方法存在各种缺陷的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。例如：针对较小尺寸样品(10mm—50mm)的介电性能测试方法，目标尚未提出。
发明内容
本发明实施例提供了一种材料介电性能的测试装置和测试方法，以至少解决在高频条件下测试介电材料性能的方法存在各种缺陷的技术问题。根据本发明实施例的一个方面，提供了一种材料介电性能的测试装置，该测试装置包括：电磁波吸收板，用于吸收电磁波；测试样品架，设置于所述电磁波吸收板上，其中，所述测试样品架的顶面与所述电磁波吸收板平行，用于放置待测试样品；开放式谐振腔，由位于所述电磁波吸收板上方的第一凹面镜和第二凹面镜组成，且所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的摆放角度和摆放位置可调节，其中，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜对称设置，且所述第一凹面镜的凹面中心线与所述第二凹面镜的凹面中心线的交叉点投射于所述测试样品架的顶面；网络分析仪，与所述开放式谐振腔连接，用于向所述开放式谐振腔内发送预设频率的初始电磁波，并接收所述开放式谐振腔回传的目标电磁波，进而基于所述初始电磁波和所述目标电磁波的性质参数确定所述待测试样品的介电性能。
可选地，所述第一凹面镜的凹面中心线、所述第二凹面镜的凹面中心线与所述电磁波吸收板的垂直线之间的夹角均满足第一预设范围。
可选地，所述测试样品架表面的平整度高于第二预设阈值，和/或，所述电磁波吸收板的电磁波吸收率高于第三预设范围。
可选地，所述第一凹面镜包括：第一凹面镜主体、第一转动控制轴和第一支撑移动滑杆，其中，所述第一凹面镜主体通过所述第一转动控制轴调整摆放角度，通过所述第一支撑移动滑杆调整摆放位置，所述第一支撑滑杆平行于所述电磁波吸收板设置；所述第二凹面镜包括：第二凹面镜主体、第二转动控制轴和第二支撑移动滑杆，其中，所述第二凹面镜主体通过所述第二转动控制轴调整摆放角度，通过所述第二支撑移动滑杆调整摆放位置，所述第二支撑滑杆平行于所述电磁波吸收板设置。
可选地，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的内凹面由金属打磨而成；和/或，所述测试样品架的顶面的材质为金属/陶瓷。
可选地，所述测试装置还包括：第一同轴传输线，与所述网络分析仪连接，用于接收所述网络分析仪生产的初始电磁波；第一同轴耦合波导环，与所述第一同轴传输线连接，且贯穿设置于所述第一凹面镜的凹面中心，用于接收所述第一同轴传输线传输的初始电磁波，并将所述初始电磁波输送至所述开放式谐振腔内；第二同轴耦合波导环，贯穿设置于所述第二凹面镜的凹面中心，用于接收所述开放式谐振腔内回传的目标电磁波；第二同轴传输线，与所述第二同轴耦合波导环和所述网络分析仪连接，用于接收所述第二同轴耦合波导环所接收的目标电磁波，并将所述接收到的电磁波回传至所述网络分析仪中。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种材料介电性能的测试方法，其中，该材料介电性能的测试方法应用于上述任意一种的材料介电性能的测试装置，材料介电性能的测试包括：在开放式谐振腔未加载待测试样品的情况下，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到第一测试结果；将待测试样品加载至开放式谐振腔内，不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，直至所述开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振，再通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到第二测试结果；基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能。
可选地，所述材料介电性能的测试方法还包括：在通过网络测试仪对开放式谐振腔进行次测试之前，将网络测试仪调节为与开放式谐振腔匹配的目标工作模式。
可选地，在调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置的过程中，第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点始终投射于测试样品架的顶面的目标位置，其中，所述开放式谐振腔由对称设置的第一凹面镜和第二凹面镜组成，所述测试样品架的顶面用于加载待测试样品。
可选地，在测试过程中不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，包括：确定开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置之间的调整关系，其中，所述调整关系表示为
Figure BDA0002416477750000031
θ1为所述开放式谐振腔对应的目标摆放角度，θo为所述开放式谐振腔对应的初始摆放角度，a为所述开放式谐振腔对应的横向移动距离；h为耦合波导环到所述测试样品架的垂直距离；依据所述调整关系对所述开放式谐振腔进行调整，以令第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点在调整的过程中，始终投射于测试样品架的顶面的目标位置。
可选地，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理得到第一测试结果，包括：通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到空载谐振频率及空载品质因数；通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理得到第二测试结果，包括：通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到有载谐振频率及有载品质因数；其中，所述谐振频率由如下公式计算：
Figure BDA0002416477750000032
其中，所述f为谐振频率，c为光速，q为所述目标工作模式的轴向模式数，D为耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离，R为组成所述开放式谐振腔的凹面镜的曲率半径。
可选地，基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能，包括：基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的相对介电常数和介电损耗角正切值。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序执行上述任意一项所述的材料介电性能的测试方法。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任意一项所述的材料介电性能的测试方法。
本申请通过应用上述材料介电性能的测试装置，在开放式未加载待测试样品的情况下，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到第一测试结果；将待测试样品加载至开放式谐振腔内，不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，直至所述开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振，再通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到第二测试结果；基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能，解决了在高频条件下测试介电材料性能的方法存在各种缺陷的技术问题，达到了实现对小尺寸片状介电材料的性能测试的技术效果。
此外，由实验结果推论可知：现有对称共焦式谐振腔测试，电磁波检测需要穿过待测试样品内部，发生相干电磁波干涉，因此待测试样品的厚度要满足100um-500um；而本发明采用电磁波在样品表面发生干涉及折射现象，进而由接收器接受电磁波信号，因此，对待测试材料的要求较低，可以进行小尺寸片状介电材料的性能测试。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种材料介电性能的测试装置的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种材料介电性能的测试方法的流程图；
图3是根据本发明实施例的一种材料介电性能的测试方法中的物理符号的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、电磁波吸收板；20、测试样品架；31、第一凹面镜；31a、第一凹面镜主体；31b、第一转动控制轴；31c、第一支撑移动滑杆；32、第二凹面镜；32a、第二凹面镜主体；32b、第二转动控制轴；32c、第二支撑移动滑杆；41、第一同轴耦合波导环；42、第二同轴耦合波导环。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，本文中任意处的“凹面中心线”均为凹面镜的凹面中心点的垂线，该垂线垂直于凹面镜的凹面中心点的内凹面。
本申请实施例提供一材料介电性能的测试装置，具体如图1所示，该测试装置包括：电磁波吸收板、测试样品架、开放式谐振腔和网络分析仪。
具体的，电磁波吸收板用于吸收电磁波；测试样品架设置于电磁波吸收板上，其中，测试样品架的顶面与电磁波吸收板平行，用于放置待测试样品；开放式谐振腔，由位于电磁波吸收板上方的第一凹面镜和第二凹面镜组成，且第一凹面镜和第二凹面镜的摆放角度和摆放位置可调节，其中，第一凹面镜和第二凹面镜对称设置，且第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点投射于测试样品架的顶面；网络分析仪，与开放式谐振腔连接，用于向开放式谐振腔内发送预设频率的初始电磁波，并接收开放式谐振腔回传的目标电磁波，进而基于初始电磁波和目标电磁波的性质参数确定待测试样品的介电性能。
需要说明的是：如图1所示，测试样品架垂直设置于电磁波吸收板的预设点上，其中，该预设点可以为电磁波吸收板上的任意位置，第一凹面镜和第二凹面镜对称设置，而该对称镜面经过电磁波吸收板的预设点且垂直于该电磁波吸收板，此外第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点投射于测试样品架的顶面。
需要说明的是：第一凹面镜和第二凹面镜沿某镜面对称，而上述对称镜面特指所述第一凹面镜和所述第二凹面镜对称设置所依据的镜面。以及，第一凹面镜和第二凹面镜的摆放角度在调节过程中、调节结束后，均镜面对称；第一凹面镜和第二凹面镜的摆放位置在调节过程中、调节结束后，均镜面对称。
在一个可选的示例中，第一凹面镜的凹面中心线、第二凹面镜的凹面中心线与电磁波吸收板的垂直线之间的夹角均满足第一预设范围。举例说明：第一凹面镜的凹面中心线与电磁波吸收板的垂直线之间的夹角均均大于等于45°且小于90°，第二凹面镜的凹面中心线与电磁波吸收板的垂直线之间的夹角均大于等于45°且小于90°。
在一个可选的示例中，测试样品架表面的平整度高于第二预设阈值。也即，在本申请中测试样品架表面具有极高的平整度，此时，可以采用平整度极高的金属或陶瓷材料作为测试样品架表面。
需要说明的是：待测试样品可以为圆片，可以为方片，本申请不做具体限定；但是该待测试样品应当符合＞5mm尺寸，且样品表面翘曲度满足H/L≤≤0.01范围，其中，H为翘起的高度，L为翘起面板的长度。
在一个可选的示例中，所述第一凹面镜包括：第一凹面镜主体、第一转动控制轴和第一支撑移动滑杆，其中，所述第一凹面镜主体通过所述第一转动控制轴调整摆放角度，通过所述第一支撑移动滑杆调整摆放位置，所述第一支撑滑杆平行于所述电磁波吸收板设置；所述第二凹面镜包括：第二凹面镜主体、第二转动控制轴和第二支撑移动滑杆，其中，所述第二凹面镜主体通过所述第二转动控制轴调整摆放角度，通过所述第二支撑移动滑杆调整摆放位置，所述第二支撑滑杆平行于所述电磁波吸收板设置。
此外，第一凹面镜和第二凹面镜由金属材料打磨而成；也即，第一凹面镜和第二凹面镜的材质为金属，第一凹面镜和第二凹面镜的镜面是对该金属表面打磨制作而成。
在一个可选的示例中，测试装置还包括：第一同轴传输线，与网络分析仪连接，用于接收网络分析仪生产的电磁波；第一同轴耦合波导环，与第一同轴传输线连接，且贯穿设置于第一凹面镜的凹面中心，用于接收第一同轴传输线传输的电磁波，并将电磁波输送至开放式谐振腔内；第二同轴耦合波导环，贯穿设置于第二凹面镜的凹面中心，用于接收开放式谐振腔内回传的电磁波；第二同轴传输线，与第二同轴耦合波导环和网络分析仪连接，用于接收第二同轴耦合波导环所接收的电磁波，并将接收回传至网络分析仪中。
也即，电磁波由网络分析仪生成射出，通过第一同轴传输线进入第一耦合波导环，进而进入开放式谐振腔；该电磁波进入开放式谐振腔后呈现高斯光束分布，且抵达待测试样品表面；之后电磁波达到第二同轴耦合波导环处，后经第二同轴传输线传回网络分析仪，此时，工作人员可以利用网络分析仪及自动检测控制软件对被测试样品进行测试。
本申请实施例还提供了一种材料介电性能的测试方法，需要说明的是，本申请实施例的材料介电性能的测试装置可以用于执行本申请实施例所提供的用于材料介电性能的测试方法。以下对本申请实施例提供的材料介电性能的测试方法进行介绍。
图2为本发明实施例所提供的材料介电性能的测试方法的流程图，如图2所示，所述材料介电性能的测试方法包括：
步骤S102，在开放式谐振腔未加载待测试样品的情况下，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到第一测试结果；
步骤S104，将待测试样品加载至开放式谐振腔内，不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，直至所述开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振，再通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到第二测试结果；
步骤S106，基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能。
本申请通过应用上述材料介电性能的测试装置，在开放式未加载待测试样品的情况下，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到第一测试结果；将待测试样品加载至开放式谐振腔内，不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，直至所述开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振，再通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到第二测试结果；基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能，解决了在高频条件下测试介电材料性能的方法存在各种缺陷的技术问题，达到了实现对小尺寸片状介电材料的性能测试的技术效果。
需要说明的是：第一测试结果是开放式未加载待测试样品的情况下，测试所得；第二测试结果是开放式谐振腔加载有待测试样品，且该待测试样品发生谐振的情况下，测试所得。
此外，由实验结果推论可知：现有对称共焦式谐振腔测试，电磁波检测需要穿过待测试样品内部，发生相干电磁波干涉，因此待测试样品的厚度要满足100um-500um；而本发明采用电磁波在样品表面发生干涉及折射现象，进而由接收器接受电磁波信号，因此，对待测试材料的要求较低，可以进行小尺寸片状介电材料的性能测试。
在一个可选的示例中，所述材料介电性能的测试方法还包括：在通过网络测试仪对开放式谐振腔进行次测试之前，将网络测试仪调节为与开放式谐振腔匹配的目标工作模式。
需要说明的是：在通过网络测试仪对开放式谐振腔进行次测试之前是指：在通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，以及在通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理之前；以及与开放式谐振腔匹配的目标工作模式是指主模TEM00q模式。
在一个可选的示例中，在调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置的过程中，第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点始终投射于测试样品架的顶面的目标位置，其中，所述开放式谐振腔由对称设置的第一凹面镜和第二凹面镜组成，所述测试样品架的顶面用于加载待测试样品。
优选的，在测试过程中不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，可以通过如下方式得以实现：
步骤a，确定开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置之间的调整关系，其中，所述调整关系表示为
Figure BDA0002416477750000081
θ1为所述开放式谐振腔对应的目标摆放角度，θo为所述开放式谐振腔对应的初始摆放角度，a为所述开放式谐振腔对应的横向移动距离，h为耦合波导环到所述测试样品架的垂直距离，具体如图3所示。
需要说明的是：所述开放式谐振腔对应的摆放角度是指：第一凹面镜的凹面中心线段与电磁波吸收板的垂线之间的夹角角度；由于第一凹面镜和第二凹面镜对称设置，因此，开放式谐振腔对应的摆放角度是也指代：第二凹面镜的凹面中心线段与电磁波吸收板的垂线之间的夹角角度。也即，第一凹面镜和第二凹面镜角度同步调整。
需要说明的是：所述开放式谐振腔对应的横向移动距离是指：第一凹面镜沿第一支撑移动滑杆横向移动的距离长度，由于第一凹面镜和第二凹面镜对称设置，因此，开放式谐振腔对应的横向移动距离是也指代：第二凹面镜沿第二支撑移动滑杆横向移动的距离长度。也即，第一凹面镜和第二凹面镜位置同步调整。
步骤b，依据所述调整关系对所述开放式谐振腔进行调整，以令第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点在调整的过程中，始终投射于测试样品架的顶面的目标位置。
需要说明的是：测试样品架的顶面用于放置待测试样品，因此，第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点投射于待测试样品上；而在调整过程中，该交叉点始终投射在待测试样品的同一位置，不会因为所述开放式谐振腔的调整而偏移。
也即，所述开放式谐振的凹面镜的角度和位置相互配合调整，使得第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点在调整过程中，始终投射于测试样品架的顶面的目标位置，进而令第一测试结果和第二测试结果，均是第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点始终投射于测试样品架的顶面的目标位置时测试所得。
在一个可选的示例中，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理得到第一测试结果，包括：通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到空载谐振频率及空载品质因数。
在另一个可选的示例中，通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理得到第二测试结果，包括：通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到有载谐振频率及有载品质因数。
需要说明的是：空载谐振频率和有载谐振频率的计算公式相同，均如下：
Figure BDA0002416477750000091
其中，所述f为谐振频率，c为光速，q为所述目标工作模式的轴向模式数，R为组成所述开放式谐振腔的凹面镜的曲率半径，D为耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离。
需要说明的是：耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离会随着开放式谐振腔调整而变动，因此，耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离包括：在开放式谐振腔未加载待测试样品的情况下，耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离；以及，在开放式谐振腔加载有待测试样品，且所述开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振的情况下，耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离。
在一个可选的示例中，基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能，包括：基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的相对介电常数和介电损耗角正切值。
最后，为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明。
使用上述材料介电性能的测试装置，对待测试样品的节点性能进行测试处理；首先，控制网络分析仪进入主模TEM00q模式，并在主模TEM00q模式下测试开放式谐振腔内未放置待测试样品时的空载谐振频率及空载品质因数；此后，将待测试样品加载指开放式谐振腔内，并调控开放式谐振腔的摆放角度和摆放位置，使开放式谐振腔内的样品发生谐振反应，此时，记录网络分析仪所测得的有载谐振频率及空载品质因数；最后，有数据处理器通过网络分析仪所得的测试数据求解出待测试样品的相对介电常数和介电损耗角正切。
需要说明的是：开放式谐振腔的摆放角度和摆放位置的调整过程满足方程1：
Figure BDA0002416477750000092
θ1为所述开放式谐振腔对应的目标摆放角度，θo为所述开放式谐振腔对应的初始摆放角度，a为所述开放式谐振腔对应的横向移动距离；h为耦合波导环到所述测试样品架的垂直距离。
需要说明的是：有载谐振频率和无载谐振频率的计算公式为方程2：
Figure BDA0002416477750000101
其中，所述f为谐振频率，c为光速，q为TEM00q模式的轴向模式数，D为耦合波导环到所述测试样品架的目标位置的距离，R为组成开放式谐振腔的凹面镜的曲率半径。
需要说明的是：待测试样品的相对介电常数的求解方程为方程3(超越方程)：
Figure BDA0002416477750000102
其中，k＝2πfs/c，
Figure BDA0002416477750000103
Figure BDA0002416477750000104
ε′＝n2；
其中，k为自由空间的波数；fs为有载谐振频率；c为光速，c＝3×1011mm/s；t为待测试样品的厚度；n为待测试样品的折射率；d为耦合波导环到电磁波吸收板的垂直距离；R为组成开放式谐振腔的凹面镜的曲率半径；ε`为待测试样品的相对介电常数。
需要说明的是：待测试样品的相对介电常数的计算公式为方程4：
Figure BDA0002416477750000105
其中，
Figure BDA0002416477750000106
Figure BDA0002416477750000107
其中，Qd为放入待测试样品后的有载品质因数、Ql为放入理想无耗样品的品质因数、Q0为未放入待测试样品的无载品质因数、t为待测试样品的厚度；d为耦合波导环到电磁波吸收板的垂直距离；k为自由空间的波数；n为待测试样品的折射率；h 0为耦合波导环到可调节样品架的垂直距离初始值。
也即，在开放式谐振腔工作时，调节网络分析仪进入主模TEM00q模式，电磁波由网络分析仪射出，通过第一同轴传输线进入第一同轴耦合波导环；此时，特定频率电磁波进入开放式谐振腔后呈现高斯光束分布；进一步的，特定频率电磁波到达待测试样品表面/测试样品架中央。
在未放置待测试样品情况下，电磁波经测试样品架反射，通过第二同轴耦合波导环和第二同轴传输线传回至网络分析仪，此时，利用网络分析仪及自动检测控制软件进行测试并记录其空腔谐振频率及空腔品质因数。
测试样品架上加载待测试样品，且测试样品架中央保持原味位置的情况下，开放式谐振腔在高精度马达控制下支撑移动滑杆和转动控制轴同时运作，实现角度偏转位置移动，其中，步进距离与偏转角度满足；此后，利用网络分析仪及自动检测控制软件进行测试并记录其有载谐振频率及有载品质因数。
最后，通过求解超越方程得到相对介电常数ε并推导出样品的介电损耗角正切。
综上，本发明专利提供一种基于开放式非正对双凹谐振腔的小尺寸片状介电材料性能的自动化测试装置及方法，主要特点在于非正对双凹谐振腔倾斜角度放置，通过调节谐振腔与电磁波吸收板垂直线夹角和谐振腔的两个凹面镜之间的距离使样品发生谐振，样品位置升高及谐振腔偏转同时进行并满足方程1。多余的电磁波被下方的吸波材料完全吸收避免杂波及高模态电磁波对主模的影响，提高材料介电性能测试的精度。样品上下移动实现样品检测，测试电磁波与样品发生谐振即可实现对介电性能的测试，因此可以实现对小尺寸片状介电材料的性能测试。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种材料介电性能的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：
电磁波吸收板(10)，用于吸收电磁波；
测试样品架(20)，设置于所述电磁波吸收板(10)上，其中，所述测试样品架(20)的顶面与所述电磁波吸收板(10)平行，用于放置待测试样品；
开放式谐振腔，由位于所述电磁波吸收板(10)上方的第一凹面镜(31)和第二凹面镜(32)组成，且所述第一凹面镜(31)和所述第二凹面镜(32)的摆放角度和摆放位置可调节，其中，所述第一凹面镜(31)和所述第二凹面镜(32)对称设置，且所述第一凹面镜(31)的凹面中心线与所述第二凹面镜(32)的凹面中心线的交叉点投射于所述测试样品架(20)的顶面；
网络分析仪，与所述开放式谐振腔连接，用于向所述开放式谐振腔内发送预设频率的初始电磁波，并接收所述开放式谐振腔回传的目标电磁波，进而基于所述初始电磁波和所述目标电磁波的性质参数确定所述待测试样品的介电性能。
2.根据权利要求1所述的材料介电性能的测试装置，其特征在于，所述第一凹面镜(31)的凹面中心线、所述第二凹面镜(32)的凹面中心线与所述电磁波吸收板(10)的垂直线之间的夹角均满足第一预设范围。
3.根据权利要求1所述的材料介电性能的测试装置，其特征在于，
所述第一凹面镜(31)包括：第一凹面镜主体(31a)、第一转动控制轴(31b)和第一支撑移动滑杆(31c)，其中，所述第一凹面镜主体(31a)通过所述第一转动控制轴(31b)调整摆放角度，通过所述第一支撑移动滑杆(31c)调整摆放位置，所述第一支撑滑杆平行于所述电磁波吸收板(10)设置；
所述第二凹面镜(32)包括：第二凹面镜主体(32a)、第二转动控制轴(32b)和第二支撑移动滑杆(32c)，其中，所述第二凹面镜主体(32a)通过所述第二转动控制轴(32b)调整摆放角度，通过所述第二支撑移动滑杆(32c)调整摆放位置，所述第二支撑滑杆平行于所述电磁波吸收板(10)设置。
4.根据权利要求1所述的材料介电性能的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括：
第一同轴传输线，与所述网络分析仪连接，用于接收所述网络分析仪生产的初始电磁波；
第一同轴耦合波导环(41)，与所述第一同轴传输线连接，且贯穿设置于所述第一凹面镜(31)的凹面中心，用于接收所述第一同轴传输线传输的初始电磁波，并将所述初始电磁波输送至所述开放式谐振腔内；
第二同轴耦合波导环(42)，贯穿设置于所述第二凹面镜(32)的凹面中心，用于接收所述开放式谐振腔内回传的目标电磁波；
第二同轴传输线，与所述第二同轴耦合波导环(42)和所述网络分析仪连接，用于接收所述第二同轴耦合波导环(42)所接收的目标电磁波，并将所述接收到的电磁波回传至所述网络分析仪中。
5.一种材料介电性能的测试方法，其特征在于，所述材料介电性能的测试方法应用于所述权利要求1-4中任意一项的材料介电性能的测试装置，其中，所述材料介电性能的测试方法包括：
在开放式谐振腔未加载待测试样品的情况下，通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到第一测试结果；
将待测试样品加载至开放式谐振腔内，不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，直至所述开放式谐振腔内的待测试样品发生谐振，再通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到第二测试结果；
基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能。
6.根据权利要求5所述的材料介电性能的测试方法，其特征在于，在调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置的过程中，第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点始终投射于测试样品架的顶面的目标位置，其中，所述开放式谐振腔由对称设置的第一凹面镜和第二凹面镜组成，所述测试样品架的顶面用于加载待测试样品。
7.根据权利要求6所述的材料介电性能的测试方法，其特征在于，在测试过程中不断调整开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置，包括：
确定开放式谐振腔对应的摆放角度和摆放位置之间的调整关系，
其中，所述调整关系表示为
Figure FDA0002416477740000021
θ1为所述开放式谐振腔对应的目标摆放角度，θo为所述开放式谐振腔对应的初始摆放角度，a为所述开放式谐振腔对应的横向移动距离；h为耦合波导环到所述测试样品架的垂直距离；
依据所述调整关系对所述开放式谐振腔进行调整，以令第一凹面镜的凹面中心线与第二凹面镜的凹面中心线的交叉点在调整的过程中，始终投射于测试样品架的顶面的目标位置。
8.根据权利要求6所述的材料介电性能的测试方法，其特征在于，
通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理得到第一测试结果，包括：通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第一次测试处理，得到空载谐振频率及空载品质因数；
通过所述网络测试仪对所述开放式谐振腔进行第二次测试处理得到第二测试结果，包括：通过网络测试仪对开放式谐振腔进行第二次测试处理，得到有载谐振频率及有载品质因数；
基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的材料介电性能，包括：基于所述第一测试数据和所述第二测试数据计算所述待测试样品的相对介电常数和介电损耗角正切值。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求5至8中任意一项所述材料介电性能的测试方法。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求5至8中任意一项所述材料介电性能的测试方法。
CN202010192691.5A 2020-03-18 2020-03-18 材料介电性能的测试装置和测试方法 Active CN111239498B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010192691.5A CN111239498B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 材料介电性能的测试装置和测试方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010192691.5A CN111239498B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 材料介电性能的测试装置和测试方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111239498A true CN111239498A (zh) 2020-06-05
CN111239498B CN111239498B (zh) 2022-05-31

Family

ID=70880480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010192691.5A Active CN111239498B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 材料介电性能的测试装置和测试方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111239498B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112305315A (zh) * 2020-09-30 2021-02-02 山东国瓷功能材料股份有限公司 用于介质材料的介电性能变温自动测试系统及方法
CN112444681A (zh) * 2020-11-30 2021-03-05 山东国瓷功能材料股份有限公司 介电材料测试系统、方法、装置及平台
CN112763817A (zh) * 2020-12-17 2021-05-07 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置及方法
CN113252992A (zh) * 2021-07-05 2021-08-13 山东国瓷功能材料股份有限公司 材料介电性能测试设备

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0682369A (ja) * 1992-08-31 1994-03-22 Shincron:Kk 薄膜の屈折率測定方法および装置
RU2025656C1 (ru) * 1991-07-10 1994-12-30 Федорцов Александр Борисович Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок в фиксированной точке
US6859278B1 (en) * 2001-01-16 2005-02-22 J.A. Woollam Co. Inc. Multi-AOI-system for easy changing angles-of-incidence in ellipsometer, polarimeter and reflectometer systems
JP2005229125A (ja) * 2005-03-14 2005-08-25 Fujitsu Ltd シリコン酸化膜の評価方法及び装置並びに半導体装置の製造方法及び装置
US20060098189A1 (en) * 2004-11-09 2006-05-11 Nikon Corporation Surface inspection apparatus, surface inspection method and exposure system
CN102707155A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 电子科技大学 一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置
CN102798766A (zh) * 2012-08-03 2012-11-28 浙江大学 一种测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法
CN202661552U (zh) * 2012-06-04 2013-01-09 电子科技大学 一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置
US20130063158A1 (en) * 2011-09-12 2013-03-14 U.S Government as represented by the Secretary of Army Microwave cavity with dielectric region and method thereof
CN107144736A (zh) * 2017-05-24 2017-09-08 电子科技大学 材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法
CN110398736A (zh) * 2019-07-04 2019-11-01 宁波信泰机械有限公司 适用acc毫米波标牌的透波性能测试方法及测试设备

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2025656C1 (ru) * 1991-07-10 1994-12-30 Федорцов Александр Борисович Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок в фиксированной точке
JPH0682369A (ja) * 1992-08-31 1994-03-22 Shincron:Kk 薄膜の屈折率測定方法および装置
US6859278B1 (en) * 2001-01-16 2005-02-22 J.A. Woollam Co. Inc. Multi-AOI-system for easy changing angles-of-incidence in ellipsometer, polarimeter and reflectometer systems
US20060098189A1 (en) * 2004-11-09 2006-05-11 Nikon Corporation Surface inspection apparatus, surface inspection method and exposure system
JP2005229125A (ja) * 2005-03-14 2005-08-25 Fujitsu Ltd シリコン酸化膜の評価方法及び装置並びに半導体装置の製造方法及び装置
US20130063158A1 (en) * 2011-09-12 2013-03-14 U.S Government as represented by the Secretary of Army Microwave cavity with dielectric region and method thereof
CN102707155A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 电子科技大学 一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置
CN202661552U (zh) * 2012-06-04 2013-01-09 电子科技大学 一种基于准光学谐振腔的介质材料复介电常数测试装置
CN102798766A (zh) * 2012-08-03 2012-11-28 浙江大学 一种测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法
CN107144736A (zh) * 2017-05-24 2017-09-08 电子科技大学 材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法
CN110398736A (zh) * 2019-07-04 2019-11-01 宁波信泰机械有限公司 适用acc毫米波标牌的透波性能测试方法及测试设备

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112305315A (zh) * 2020-09-30 2021-02-02 山东国瓷功能材料股份有限公司 用于介质材料的介电性能变温自动测试系统及方法
CN112444681A (zh) * 2020-11-30 2021-03-05 山东国瓷功能材料股份有限公司 介电材料测试系统、方法、装置及平台
CN112444681B (zh) * 2020-11-30 2022-07-15 山东国瓷功能材料股份有限公司 介电材料测试系统、方法、装置及平台
CN112763817A (zh) * 2020-12-17 2021-05-07 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置及方法
CN113252992A (zh) * 2021-07-05 2021-08-13 山东国瓷功能材料股份有限公司 材料介电性能测试设备
CN113252992B (zh) * 2021-07-05 2021-11-05 山东国瓷功能材料股份有限公司 材料介电性能测试设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN111239498B (zh) 2022-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111239498B (zh) 材料介电性能的测试装置和测试方法
CN111487470B (zh) 材料介电性能的测试装置和方法
US20210167517A1 (en) Terahertz leaky-wave antenna measuring system
US8436777B2 (en) Measurement apparatus and method thereof
Bourreau et al. A Quasi-Optical Free-Space Measurement Setup Without Time-Domain Gating for Material Characterization in the $ W $-Band
Karpisz et al. Measurement of dielectrics from 20 to 50 GHz with a Fabry–Pérot open resonator
US9013191B2 (en) Microwave cavity with dielectric region and method thereof
Varadan et al. In situ microwave characterization of nonplanar dielectric objects
Li et al. Compact dielectric constant characterization of low-loss thin dielectric slabs with microwave reflection measurement
CN111198302B (zh) 材料介电性能的测试方法、装置和系统
CN110824257B (zh) 一种片状高分子聚合物的太赫兹介电特性测试装置及方法
CN108020535A (zh) 测量dkdp晶体氘含量均匀性的方法
US9810646B2 (en) Edge treatment system and method for evaluating a material
Saenz et al. Accuracy assesment of material measurements with a quasi-optical free-space test bench
Álvarez et al. Monostatic and bistatic measurements of metasurfaces on anechoic chamber and a comparison with electromagnetic simulations
US6864690B1 (en) Apparatus for precision measurement of microwave material properties as functions of temperature and frequency
CN114137316A (zh) 一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法
Yurchenko et al. MM-wave dielectric parameters of magnesium fluoride glass wafers
Knott et al. Non-destructive permittivity measurement of thin dielectric sheets quality conformance testing for the tracking and imaging radar TIRA
Starr et al. Angle resolved microwave spectrometer for metamaterial studies
Amiet et al. Free space microwave permittivity and permeability measurements
US20240167951A1 (en) Open resonator
Quan et al. Ultra high-Q 60GHz open resonator system for precision dielectric permittivity and loss tangent measurements
Kato et al. Comparison of free‐space VNA and TDS measurements using transmission‐type frequency selective surfaces
Fernandes et al. Permittivity measurement and anisotropy evaluation of dielectric materials at millimeter-waves

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230214

Address after: Room 101, Building 6, No. 61, Liuyanghe Road, Dongying Development Zone, Shandong Province, 257091

Patentee after: Maipu New Material Technology (Shandong) Co.,Ltd.

Address before: 257000 No. 24, Liaohe Road, Dongying Economic and Technological Development Zone, Shandong Province

Patentee before: SHANDONG SINOCERA FUNCTIONAL MATERIAL Co.,Ltd.