CN111458569A - 基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法，该系统包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、反应釜、多路温度记录仪和开口同轴探头；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内。该方法包括（1）设置与初始化校准；（2）多路数据的采集与补偿误差的计算；（3）反射系数的修正与介电常数的反演的步骤。本发明在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价。

Description

基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法

技术领域

本发明属于介电常数测量技术领域，特别涉及一种针对水合物的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及其测量方法。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)又称可燃冰，是由甲烷等小分子天然气体和水在特定的低温高压条件下形成的类冰状结晶物质，其广泛分布于海底沉积物和陆域永久冻土带中。天然气水合物因全球分布广、能源储量大、能量密度高、资源价值高，因而成为21世纪以来资源勘探与开发的重点与热点。

介电常数是表征材料电学性能的重要参数之一，随着水合物勘探技术与水合物沉积物特性研究的不断深入，介电常数成为水合物特性研究的重要参数。目前对于介电常数的检测方法有平行板电容法、谐振腔法、短路波导法、自由空间法、传输反射法和开口同轴探头法等。相较于其他测量方法，开口同轴探头法样品制备简单、适用频带宽，可在不破坏样品组分前提下对介质进行精确测量，是目前广泛应用的一种介电常数检测方法。该方法使用前需对矢量网络分析仪进行校准，例如，文献《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)明确给出了校准的方法及步骤。

CN108089062A公开了一种多孔介质介电常数检测方法，其步骤包括，将含水率较低的样品研磨成粉，并使用自制的圆柱形不锈钢测量单元对不同质量下的粉末状样品进行压实；使用与网络分析仪相连的末端开路同轴探头对压实后的样品进行介电常数测量；运用回归分析方法得出样品介电常数与频率的关系，将样品介电常数实际测量值与预先选用的介电混合方程理论值进行拟合得到一定频率下适用于多孔介质介电常数测量的数学模型。

上述方法配合介电常数测量装置使用与矢量网络分析仪相连的末端开口同轴探头对多孔介质进行测量，然后运用回归分析的方法得到多孔介质的介电常数与频率的关系。该方法获取的介电常数仅仅为多孔介质中单一位置点的介电常数，而多孔介质中水合物分布是不均匀的，仅仅获取单一位置点的介电常数无法全面反映多孔介质的介电特性，且目前应用该方法对水合物的研究相对较少，对含水合物多孔介质的介电常数空间分布检测尚未开展。

“国家标准GB/T 35680-2017液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法”中是开口同轴探头法。开口同轴探头法自提出以来，历经三十余年应用改进，目前尚未有多路检测的拓展应用，主要原因是无法克服多路切换开关引入的误差，如希望进行多点测量，只能通过移动探头实现，而即使采用最高质量的稳相电缆，移动探头也势必会改变反射系数，进而造成校准信息失效，引入误差。

CN102175766A公开的一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法，利用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，并利用高压开关阵列、多通道相控阵发射接收系统及控制系统，通过高压开关阵列电路不停地快速切换，在不同时刻控制不同的换能器阵元进行发射与接收，使相控阵聚焦声束在管材内高速旋转，从而实现动态聚焦与扫描。虽然上述方法中使用了“多路切换开关”，但是采取信号支路切换，使多个超声探头进行切换工作，利用多个超声探头分别激发超声波，而不是在超声探头下游添加超声波导切换开关。如果本领域技术人员也是使用“多路切换开关”的话，所搭建的系统具备多个上位机和矢量网络分析仪，至少是多个矢量网络分析仪的测试端口进行切换。矢量网络分析仪价格昂贵，使用多个矢量网络分析仪，显然会造成成本大幅提高，并且测量效率低。

重要的是，传统射频多路切换开关内部所有动端与不动端处于同一封闭空间，需要选通不动端时仅用短路衔铁连通动端和该不动端，不同不动端之间没有任何隔离，这种方式使传统的射频多路切换开关各支路之间串扰比较严重，材料测试对微波信号质量要求高，使用传统射频多路切换开关所引入的误差(相位偏离、幅度衰减)，会造成最终反演的介电常数严重失真。

发明内容

本发明针对现有介电常数测量技术存在的不足，提供一种能够实现介电常数空间分布测量的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及其测量方法，在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价。

本发明的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，采用以下技术方案：

该系统包括：矢量网络分析仪、射频多路切换开关、切换开关控制器、上位机、反应釜、多路温度记录仪、开口同轴探头和恒温水槽；反应釜置于恒温水槽内；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内；上位机实现对矢量网络分析仪、射频多路切换控制器和多路温度记录仪的自动控制；多路温度记录仪通过外接热电阻对反应釜内被测介质的温度实现实时采集与记录；

所述射频多路切换开关，具有一个动端和多个不动端(动端、不动端均为特征阻抗为50Ω的圆形同轴接口，同轴接口内导体与外导体绝缘)，动端和一个不动端形成一条选通支路，每一选通支路均为同轴方波导(设计特征阻抗为50Ω)，支路内设置短路衔铁(横截面为矩形，选通时作为同轴方波导的内导体)并在靠近动端处设置有能够阻隔动端和不动端的封闭块，短路衔铁设置在动端和不动端内导体的上方，每一支路中封闭块和短路衔铁所连接的电磁行程开关与同一个继电器电连接；

切换开关控制器与上位机实现联动后触发相应电平信号，驱动相应继电器，通过电磁行程开关带动同轴方波导内的短路衔铁和封闭块动作，使短路衔铁连接连通的动端和不动端的内导体，同时封闭块移动到同轴方波导壁内，打开所选通的支路。

所述封闭块处于设置在动端外围的封闭块嵌槽中，各支路中的封闭块将动端合围。

所述封闭块与其连接电磁行程开关之间设置有复位弹簧。

每一支路，不选通的时候，封闭块由复位弹簧推进支路方波导内，阻断电磁波进入同轴方波导，各支路内短路衔铁与封闭块利用继电器控制协同动作，短路衔铁连接动端与选通不动端时，该支路同轴方波导中的封闭块由相应继电器控制，对应封闭块复位弹簧被压缩，进而封闭块收入同轴方波导外壁中，实现电磁波只被耦合至选通的支路方波导，消除其他支路对选通支路的串扰影响。切换开关控制器利用电平为继电器供电(常规操作)实现对射频多路切换开关的控制，从而使多路介电测试系统实现整体自动化测量。衔铁复位弹簧和封闭块复位弹簧在支路未被选通时，衔铁弹簧和封闭块弹簧均处于原始状态。当支路选通时，位于选通支路的衔铁复位弹簧和封闭块复位弹簧因继电器控制电磁行程开关动作而被压缩。当支路恢复到未被选通状态时，复位弹簧再次恢复原始状态，带动衔铁收回原位，同时将封闭块顶出起到阻隔电磁波的作用。

上述系统对介电常数的测量方法，包括以下步骤：

(1)设置测试参数与初始化校准：

①设置测试参数；

②选择校准类型并将测量的参考面设置在射频多路切换开关的动端处；

③对矢量网络分析仪进行初始化校准；

(2)多路数据的采集与补偿误差的计算：

①测量参考介质各支路的反射系数并记录温度信息；

②判断是否将参考介质各支路的反射系数与温度均已获得，若否，则切换下一支路继续测量未获取支路的反射系数与温度(返回步骤(2)中的①)，重复进行(步骤(2)中的①)，直至所有支路的反射系数均已获取；

③计算参考介质各支路补偿后的反射系数；

④判断参考介质各支路补偿后的反射系数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续计算未获取支路的反射系数(返回步骤(2)中的③)，重复进行(步骤(2)中的③)，直至所有支路补偿后的反射系数均已获取；

⑤计算各支路的补偿误差；由于系统初始化校准后参考面位于射频多路切换开关的动端处，实际测量面在开口同轴探头的终端开口处，同轴探头、稳相线缆和接口处均存在插入损耗，且“国家标准GB/T 35680-2017液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法”明确要求其需要补偿。

所述参考介质为空气、短路负载和去离子水。

所述步骤①的具体过程是：上位机控制切换开关控制器与矢量网络分析仪采集各支路的反射系数，上位机控制多路温度记录仪测量去离子水的温度、记录所有信息并上传回上位机。

所述步骤②中当所有信息均已获取后，则进行步骤③，否则重复进行步骤①直至获取各支路的所需信息。

所述步骤③是计算空气、短路负载和去离子水补偿后的反射系数；其中，空气的理论介电常数为1，去离子水的介电常数为温度的函数，介电常数通过cole-cole方程求出，即

其中ε_s、ε_∞、ω₀、α、ω与j分别为零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫角频率、cole-cole因子、测试角频率和虚数符号，ω＝2πf，f为测试频率。连接短路负载补偿后的反射系数为Γ_а，基于准静态模型反推得到空气和去离子水的补偿后的反射系数，即

其中Γ、d、k_c、ε₀、ε₁、μ₀、μ₁、ε_s、μ_s和J₀分别为补偿后的反射系数、样品有效厚度、连续特征值、真空介电常数、同轴探头填充介质的相对介电常数、真空磁导率、同轴探头填充介质的相对磁导率、测试样品的相对介电常数、测试样品的相对磁导率和零阶贝塞尔函数。

所述步骤④中的反射系数为各支路补偿后的反射系数，当所有补偿后的反射系数均已获取后，则进行步骤⑤，否则重复进行步骤③直至计算出各支路补偿后的反射系数。

所述步骤⑤的具体过程如下：

根据各支路空气、短路负载和去离子水测量的反射系数与补偿后的反射系数，构建出各支路的的补偿方程组，即

其中Γ_am(i)、Γ_sm(i)、Γ_wm(i)、Γ_aa、Γ_sa、Γ_wa、e_d(i)、e_r(i)与e_s(i)分别为各支路空气反射系数测量值、各支路短路负载反射系数测量值、各支路去离子水反射系数测量值、空气补偿后的反射系数、短路负载补偿后的反射系数、去离子水补偿后的反射系数、各支路有限方向误差、各支路频率跟踪误差、各支路等效源失配误差；

计算出各支路的有限方向误差、频率跟踪误差和等效源失配误差后，构建补偿关系式，即

(3)反射系数的修正与介电常数的反演：

①测量被测介质反射系数；

②计算各支路补偿后的反射系数；

③反演被测介质各支路的介电常数；

④判断各支路介电常数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续反演未获取支路的介电常数(返回步骤(3)中的①)，重复进行(重复进行步骤(3)中的①-③)，直至所有支路介电常数均已获取。

所述步骤①中的被测介质为含水合物多孔介质。通过上位机向射频多路切换开关控制器与矢量网络分析仪发出数据采集指令，采集含水合物多孔介质中各支路的反射系数，记录信息并上传回上位机。

所述步骤②中是利用步骤(2)中③的公式求解出含水合物多孔介质补偿后的反射系数。

所述步骤③为利用步骤(2)中③的准静态模型迭代反演出含水合物多孔介质各支路的介电常数。

所述步骤④为判断含水合物多孔介质中各支路介电常数是否均已获得，当各支路介电常数均已获取，则完成整个测试，否则重复④进行步骤直至反演出出各支路的介电常数。

本发明中引入射频多路切换开关，并优化改进射频多路切换开关，提高隔离度，降低了支路之间串扰，利用波导切换直接对最终测量所用的电磁波进行切换，从而实现对射频支路进行切换；只使用了一个矢量网络分析仪端口，各支路探头一旦固定，整个测试系统硬件不再需要移动即可实现空间多点的介电常数检测，从根本上解决了难以将开口同轴探头法扩展到多路的这一问题，这无疑会使开口同轴探头法这一广泛被业内认可的介电测试技术得到广泛应用；本发明使多路探头共用一个矢量网络分析仪端口的前提下，提出了对开关各支路所引入巨大误差的补偿方法，补偿算法是基于射频传输线理论提出的，与低频电路切换具有明确的逻辑结构、原理区别。

正是本发明中应用了优化改进的“射频多路切换开关”，才能够实现“提前获取各支路的补偿信息后，轮流对各支路进行测量”这个形式的介电常数测量流程。从根本上解决了难以将开口同轴探头法扩展到多路的这一问题。

经利用标准被测介质标定，本发明取得了意料不到的技术效果，不仅能够提供多路快速自动化切换检测，而且由本发明系统各端口介电常数测量相对误差的绝对值与商用系统(Keysight N1501A)对比(参见图16)，每一路检测精度都高于现有行业内公认标准系统。

本发明基于多路开口同轴探头测量介电常数，利用射频多路切换开关实现多探头分时工作，在获取多路反射系数的基础上分别对其进行误差补偿，最终反演得到空间不同位置处的介电常数，实现了对水合物空间多点的介电常数分布的精确测量，可以高效的开展对含水合物多孔介质电学参数测量的实验，获取丰富的电学性质信息，扩展了开口同轴探头法在多孔介质中的适用范围，从而为水合物空间分布的研究提供了技术手段。

附图说明

图1是本发明中基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统的结构原理示意图。

图2是本发明系统中所用探头的结构示意图。

图3是本发明中射频多路切换开关的结构示意图。

图4是射频多路切换开关中基座的结构示意图。

图5是基座的俯视图。

图6是射频多路切换开关中封闭块的结构示意图。

图7是射频多路切换开关中顶盖的结构示意图。

图8是射频多路切换开关中衔铁的结构示意图。

图9是本发明中基于多路开口同轴探头的介电常数测试方法的流程图。

图10是含水合物多孔介质测量的反射系数幅值图。

图11是含水合物多孔介质测量的反射系数相位图。

图12是含水合物多孔介质补偿后的反射系数幅值图。

图13是含水合物多孔介质补偿后的反射系数相位图。

图14是含水合物多孔介质反演的介电常数实部图。

图15是含水合物多孔介质反演的介电常数虚部图。

图16是本发明系统各端口与商用系统测量介电常数相对误差绝对值的比较示意图。

图中：1.上位机，2.射频多路切换开关，3.矢量网络分析仪，4.反应釜，5.切换开关控制器，6.多路温度记录仪，7.开口同轴探头，8.被测介质，9.恒温水槽；

21.第一方形同轴波导，22.第二方形同轴波导，23.第三方形同轴波导，24.第四方形同轴波导，25.第五方形同轴波导，26.第六方形同轴波导；27.基座，28.顶盖，29.封闭块嵌槽。

100.第一不动端，200.第二不动端，300.第三不动端，400.第四不动端，500.第五不动端，600.第六不动端；

700.动端；

101.封闭块，102.封闭块，103.封闭块，104.封闭块，105.封闭块，106.封闭块，201.封闭块，202.封闭块，203.封闭块，204.封闭块，205.封闭块，206.封闭块；

301.第一短路衔铁，302.第二短路衔铁，303.第三短路衔铁，304.第四短路衔铁，305.第五短路衔铁，306.第六短路衔铁；

2801.第一衔铁槽，2802.第二衔铁槽，2803.第三衔铁槽，2804.第四衔铁槽，2805.第五衔铁槽，2806.第六衔铁槽；

401.第一短路衔铁杆，402.第二短路衔铁杆，403.第三短路衔铁杆，404.第四短路衔铁杆，405.第五短路衔铁杆，406.第六短路衔铁杆；

501.第一过孔，502.第一过孔，503.第一过孔，504.第一过孔，505.第一过孔，506.第一过孔。

601.第一衔铁弹簧，602.第二衔铁弹簧，603.第三衔铁弹簧，604.第四衔铁弹簧，605.第五衔铁弹簧，606.第六衔铁弹簧；

701.封闭块弹簧，702.封闭块弹簧，703.封闭块弹簧，704.封闭块弹簧，705.封闭块弹簧，706.封闭块弹簧，801.封闭块弹簧，802.封闭块弹簧，803.封闭块弹簧，804.封闭块弹簧，805.封闭块弹簧，806.封闭块弹簧。

901.封闭块杆，902.封闭块杆，903.封闭块杆，904.封闭块杆，905.封闭块杆，906.封闭块杆；

1001.封闭块杆，1002.封闭块杆，1003.封闭块杆，1004.封闭块杆，1005.封闭块杆，1006.封闭块杆。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，包括上位机1、射频多路切换开关2、矢量网络分析仪3、反应釜4、切换开关控制器5、多路温度记录仪6、开口同轴探头7和恒温水槽9。矢量网络分析仪4通过稳相线缆与射频多路切换开关2的动端700(参见图5)进行相连。射频多路切换开关2的六路不动端100、200、300、400、500和600(参见图5)分别通过稳相线缆与开口同轴探头7相连，探头7终端插入到反应釜4内的被测介质8中，与被测介质8接触进行测量，反应釜4设置于恒温水槽9中，为测试提供恒定的测试温度。射频多路切换开关的控制器5通过排线实现对射频多路切换开关2的控制，并为其供电。多路温度记录仪6通过外接热电阻实现对被测介质8温度的实时采集与记录。矢量网络分析仪3、反应釜4、射频多路切换开关控制器5、多路温度记录仪6和恒温水槽9均采用现有技术。开口同轴探头7的结构如图2所示，为现有技术。

上位机1通过接口分别与矢量网络分析仪3、切换开关控制器5和多路温度记录仪6进行相连，通过上位机1实现对矢量网络分析仪3、切换开关控制器5和多路温度记录仪6的自动控制。

本发明对射频多路切换开关2及其控制优化改进，提高隔离度，降低其内部支路之间串扰，利用波导切换直接对最终测量的所用的电磁波进行切换，从而实现对射频支路进行切换；真正实现了只使用了一个矢量网络分析仪端口，各支路探头一旦固定，整个测试系统硬件不再需要移动即可实现空间多点的复介电常数检测。从根本上解决了难以将开口同轴探头法扩展到多路的这一问题。

如图3，多路射频切换开关包括基座27和连接于基座上的顶盖28，两者可通过螺钉连接。

如图4、图5和图6，基座27的上部设置有第一不动端100、第二不动端200、第三不动端300、第四不动端400、第五不动端500、第六不动端600和动端700，每一个不动端和动端700均为SMA接口，SMA接口内设置导体。动端和不动端均为特征阻抗为50Ω的圆形同轴接口，同轴接口内导体与外导体绝缘。第一不动端100与动端700之间连接第一方形同轴波导21，第二不动端200与动端700之间连接第二方形同轴波导22，第三不动端300与动端700之间连接第三方形同轴波导23，第四不动端400与动端700之间连接第四方形同轴波导24，第五不动端500与动端700之间连接第五方形同轴波导25，第六不动端600与动端700之间连接第六方形同轴波导26。每条方形同轴波导为一条选通支路，对应每条选通支路设置一个控制其电动部件运行的继电器，对应六条支路分别是第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器和第六继电器。

动端700的外围在方形同轴波导的槽底设置有封闭块嵌槽29(参见图3)，封闭块嵌槽中分布有多个封闭块，包括封闭块101、封闭块102、封闭块103、封闭块104、封闭块105、封闭块106、封闭块201、封闭块202、封闭块203、封闭块204、封闭块205和封闭块206；各个封闭块将动端700围合，其中封闭块201、封闭块101和封闭块206处于第一方形同轴波导21内，封闭块201、封闭块102和封闭块202处于第二方形同轴波导22内，封闭块202、封闭块103和封闭块203处于第三方形同轴波导23内，封闭块203、封闭块104和封闭块204处于第四方形同轴波导24内，封闭块204、封闭块104和封闭块205处于第五方形同轴波导25内，封闭块205、封闭块105和封闭块206处于第六方形同轴波导26内。

各封闭块上均设置有封闭块杆，对应地分别是封闭块杆901、封闭块杆902、封闭块杆903、封闭块杆904、封闭块杆905、封闭块杆906、封闭块杆1001、封闭块杆1002、封闭块杆1003、封闭块杆1004、封闭块杆1005和封闭块杆1006。各个封闭块杆均伸出基座27的底面(不与顶盖28结合的一面)，伸出部分均套装有封闭块弹簧，对应地分别是封闭块弹簧701、封闭块弹簧702、封闭块弹簧703、封闭块弹簧704、封闭块弹簧705、封闭块弹簧706、封闭块弹簧801、封闭块弹簧802、封闭块弹簧803、封闭块弹簧804、封闭块弹簧805和封闭块弹簧806。

每个封闭块连接一个电磁行程开关，电磁行程开关连接继电器。常态下各封闭块伸出封闭块嵌槽，将每个不动端与动端700之间阻隔。电磁行程开关在接到继电器选通电平时，就会带动封闭块杆及其对应的封闭块拉进封闭块嵌槽，解除对应不动端与动端700的阻隔，选通相应支路。在各自弹簧作用下，封闭块复位，继续起阻隔作用。

如图7和图8，顶盖28与基座27结合的底面对应每个方形同轴波导设置有衔铁槽，分别是第一衔铁槽2801、第二衔铁槽2802、第三衔铁槽2803、第四衔铁槽2804、第五衔铁槽2805和第六衔铁槽2806，每个衔铁槽中对应设置有第一过孔501、第二过孔502、第三过孔503、第四过孔504、第五过孔505和第六过孔506。每个衔铁槽中对应设置有短路衔铁，分别是第一短路衔铁301、第二短路衔铁302、第三短路衔铁303、第四短路衔铁304、第五短路衔铁305和第六短路衔铁306。短路衔铁的横截面为矩形，选通时作为同轴方波导的内导体。每个短路衔铁上均对应设置有衔铁杆，相应地是第一短路衔铁杆401、第二短路衔铁杆402、第三短路衔铁杆403、第四短路衔铁杆404、第五短路衔铁杆405和第六短路衔铁杆406。各个短路衔铁杆由相应的第一过孔501、第二过孔502、第三过孔503、第四过孔504、第五过孔505、第六过孔506伸出顶盖28，伸出部分均套装有封闭块弹簧，对应地分别是第一衔铁弹簧601、第二衔铁弹簧602、第三衔铁弹簧603、第四衔铁弹簧604、第五衔铁弹簧605和第六衔铁弹簧606。

每个短路衔铁连接一个电磁行程开关，电磁行程开关连接继电器。常态下各短路衔铁处于各自的衔铁槽中，不与动端和不动端接触。电磁行程开关在接到继电器选通电平时，就会推动短路衔铁杆及其对应的短路衔铁进入基座内对应的方形同轴波导，连通对应的不动端和动端700，选通相应支路。当支路不再被选通时，在各自弹簧作用下短路衔铁复位，解除对应的动端和不动端700的连通。

每一条支路内控制封闭块和短路衔铁的电磁行程开关连接对应的继电器，相应地每一条支路内封闭块201、封闭块101、封闭块206和第一短路衔铁301连接的电磁行程开关均与第一继电器电连接，封闭块201、封闭块102、封闭块202和第二短路衔铁302连接的电磁行程开关均与第二继电器连接，封闭块202、封闭块103、封闭块203和第三短路衔铁303连接的电磁行程开关均与第三继电器连接，封闭块203、封闭块104、封闭块204和第四短路衔铁304连接的电磁行程开关均与第四继电器连接，封闭块204、封闭块105、封闭块205和第五短路衔铁305连接的电磁行程开关均与第五继电器连接，封闭块205、封闭块106、封闭块206和第六短路衔铁306连接的电磁行程开关均与第六继电器连接。

本发明针对开口同轴探头法对射频多路切换开关进行了优化改进，每一支路均为同轴方波导，不选通的时候用封闭块在靠近动端处阻断电磁波进入同轴方波导，各支路短路衔铁与封闭块利用继电器控制协同动作，短路衔铁连接动端与选通不动端时，该支路同轴方波导中的封闭块由相应继电器控制，对应封闭块弹簧被压缩，进而封闭块收入同轴方波导外壁中，实现电磁波只被耦合至选通的支路方波导，消除其他支路对选通支路的串扰影响。切换开关控制器利用电平为继电器供电，由继电器实现对射频多路切换开关的控制，从而使多路介电测试系统实现整体自动化测量。

以下以选通第一方形同轴波导21为例，说明本发明中射频多路切换开关各支路选通过程，参见图3、图4和图6。

射频开关控制器5输出电平，控制第一继电器工作，控制第一方形同轴波导21中的封闭块101、封闭块201、封闭块206和第一短路衔铁301连接的电磁行程开关动作，带动封闭块101、封闭块201和封闭块206收缩至封闭块嵌槽29内，推动第一短路衔铁301下降至两端分别连接在动端700与第一不动端100的内导体上，使第一支路选通。此时，其它所有封闭块(102、103、104、105、106、202、203、204、205)保持原位，其它所有衔铁(302、303、304、305、306)保持原位，将动端007与未选通的方形同轴波导隔离，电磁波只在动端700与第一不动端100之间的方形同轴波导间传播。

上述系统进行介电常数测试的流程如图9所述，具体包括以下步骤。

一.系统的设置与初始化校准

1.设置系统的测试频率为300MHz-3GHz，测试的激励功率为0dBm，设置恒温水槽9的温度为20为。

2.选择单端口校准类型，将测量的参考面设置在射频多路切换开关2的动端端口700处。

3.上位机1向矢量网络分析仪3发出初始化校准的指令，进入初始化校准程序，准备进行初始化校准。

4.对矢量网络分析仪3进行初始化校准。按现有初始化校准方法，分别连接开路校准件、短路校准件和负载匹配件实现对系统的初始化校准，具体参见《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)

二.多路数据的采集与补偿误差的计算

1.由上位机1向矢量网络分析仪3发出采集数据指令，分别测量各支路空气、短路负载和去离子水的反射系数并记录温度信息。

2.判断是否将参考介质(空气、短路负载和去离子水)各支路的反射系数与温度均已获得，若所有支路反射系数均已获得，则进行步骤二中的3步骤，否则返回步骤二中的1步骤重复。

3.计算空气、短路负载和去离子水补偿后的反射系数。其中，空气的理论介电常数为1，去离子水的介电常数为温度的函数，测量的去离子水的温度为20℃，介电常数通过cole-cole方程求出，即

其中零频介电常数ε_s＝80.40，光频介电常数ε_∞＝5.2，德拜弛豫角频率ω₀＝34π，cole-cole因子α＝0，测试角频率ω＝2πf，f为测试频率。连接短路负载补偿后的反射系数为Γ_а＝-1，基于准静态模型反推得到空气和去离子水补偿后的反射系数，即

其中Γ、d、k_c、ε₀、ε₁、μ₀、μ₁、ε_s、μ_s、a、b和J₀分别为补偿后的反射系数、样品有效厚度、连续特征值、真空介电常数、同轴探头填充介质的相对介电常数、真空磁导率、同轴探头填充介质的相对磁导率、测试样品的相对介电常数、测试样品的相对磁导率、内导体外半径、外导体内半径和零阶贝塞尔函数。如图2，系统中所用开口同轴探头7中，2a＝0.51mm，2b＝1.67mm，L＝200mm。

准静态模型可参见文献《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)。

4.判断参考介质各支路补偿后的反射系数是否均已获得，若所有支路补偿后的反射系数均已获得，则进行以下步骤(步骤二中的5步骤)，否则返回以上步骤(步骤二中的3步骤)重复。

5.由于系统初始化校准后参考面位于射频多路切换开关2的动端端口0处，实际测量面在开口同轴探头7的终端开口处，同轴探头7、稳相线缆和接口处均存在插入损耗，且“国家标准GB/T 35680-2017液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法”明确要求其需要补偿，具体过程如下：

根据各支路空气、短路负载和去离子水测量的反射系数与补偿后的反射系数，构建出各支路的的补偿方程组，即：

其中Γ_am(i)、Γ_sm(i)、Γ_wm(i)、Γ_aa、Γ_sa、Γ_wa、e_d(i)、e_r(i)与e_s(i)分别为各支路空气反射系数测量值、各支路短路负载反射系数测量值、各支路去离子水反射系数测量值、空气补偿后的反射系数、短路负载补偿后的反射系数、去离子水补偿后的反射系数、各支路有限方向误差、各支路频率跟踪误差、各支路等效源失配误差。

计算出各支路的有限方向误差、频率跟踪误差和等效源失配误差后，即可构建补偿关系式，即

三.反射系数的修正与介电常数的反演

1.通过上位机1向射频多路切换开关控制器5和矢量网络分析仪3发出数据采集指令，采集含水合物多孔介质中各支路的反射系数，记录所有信息并上传回上位机1。图10与图11分别给出了含水合物多孔介质测量的反射系数幅值与相位。

2.利用步骤二的3步骤中的公式

求解出含水合物多孔介质反射系数。图12与图13分别给出了含水合物多孔介质补偿后的反射系数幅值与相位。

3.利用步骤二的3步骤中的准静态模型

迭代反演出含水合物多孔介质各支路的介电常数。图14与图15给出了含水合物多孔介质反演的介电常数实部与虚部。

4.判断判断含水合物多孔介质中各支路介电常数是否均已获得，若所有支路介电常数均已获得，则完成整个测试，否则返回步骤三中的1-3步骤重复。

图16给出了本发明系统各端口介电常数测量相对误差的绝对值与商用系统(Keysight N1501A)对比，可以看出，每一路检测精度都高于现有行业内公认标准系统。

Claims (10)

1.一种基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，其特征是：包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、切换开关控制器、上位机、反应釜、多路温度记录仪、开口同轴探头和恒温水槽；反应釜置于恒温水槽内；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内；

所述射频多路切换开关，具有一个动端和多个不动端，动端和一个不动端形成一条选通支路，每一选通支路均为同轴方波导，支路内设置短路衔铁并在靠近动端处设置有能够阻隔动端和不动端的封闭块，短路衔铁设置在动端和不动端内导体的上方，每一支路中封闭块和短路衔铁所连接的电磁行程开关与同一个继电器电连接；

切换开关控制器与上位机实现联动后触发相应电平信号，驱动相应继电器，通过电磁行程开关带动同轴方波导内的短路衔铁和封闭块动作，使短路衔铁连接连通的动端和不动端的内导体，同时封闭块移动到同轴方波导壁内，打开所选通的支路。

2.根据权利要求1所述的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，其特征是：所述封闭块处于设置在动端外围的封闭块嵌槽中。

3.根据权利要求1所述的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，其特征是：所述封闭块与其连接电磁开关之间设置有复位弹簧。

4.一种权利要求1-3任一项所述系统测量介电常数的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)设置测试参数与初始化校准：

①设置测试参数；

②选择校准类型并将测量的参考面设置在射频多路切换开关的动端处；

③对矢量网络分析仪进行初始化校准；

(2)多路数据的采集与补偿误差的计算：

①测量参考介质各支路的反射系数并记录温度信息；

②判断是否将参考介质各支路的反射系数与温度均已获得，若否，则切换下一支路继续测量未获取支路的反射系数与温度，重复进行，直至所有支路的反射系数均已获取；

③计算参考介质各支路补偿后的反射系数；

④判断参考介质各支路补偿后的反射系数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续计算未获取支路的反射系数，重复进行，直至所有支路补偿后的反射系数均已获取；

⑤计算各支路的补偿误差；

(3)反射系数的修正与介电常数的反演：

①测量被测介质反射系数；

②计算各支路补偿后的反射系数；

③反演被测介质各支路的介电常数；

④判断各支路介电常数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续反演未获取支路的介电常数，重复进行，直至所有支路介电常数均已获取。

5.根据权利要求4所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(1)①中的测试参数包括测试频率、测试的激励功率和恒温水槽的温度。

6.根据权利要求4所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)①中的参考介质为空气、短路负载和去离子水。

7.根据权利要求4所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)①的具体过程是：上位机控制切换开关控制器与矢量网络分析仪采集各支路的反射系数，上位机控制多路温度记录仪测量去离子水的温度、记录所有信息并上传回上位机。

8.根据权利要求4所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)③是计算空气、短路负载和去离子水补偿后的反射系数；其中：空气的理论介电常数为1，去离子水的介电常数为温度的函数，介电常数通过cole-cole方程求出，即

其中ε_s、ε_∞、ω₀、α、ω与j分别为零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫角频率、cole-cole因子、测试角频率和虚数符号；连接短路负载补偿后的反射系数为Γ_а，基于准静态模型反推得到空气和去离子水的补偿后的反射系数，即

其中Γ、d、k_c、ε₀、ε₁、μ₀、μ₁、ε_s、μ_s和J₀分别为补偿后的反射系数、样品有效厚度、连续特征值、真空介电常数、同轴探头填充介质的相对介电常数、真空磁导率、同轴探头填充介质的相对磁导率、测试样品的相对介电常数、测试样品的相对磁导率和零阶贝塞尔函数。

9.根据权利要求4所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)⑤的具体过程如下：

根据各支路空气、短路负载和去离子水测量的反射系数与补偿后的反射系数，构建出各支路的的补偿方程组，即

其中Γ_am(i)、Γ_sm(i)、Γ_wm(i)、Γ_aa、Γ_sa、Γ_wa、e_d(i)、e_r(i)与e_s(i)分别为各支路空气反射系数测量值、各支路短路负载反射系数测量值、各支路去离子水反射系数测量值、空气补偿后的反射系数、短路负载补偿后的反射系数、去离子水补偿后的反射系数、各支路有限方向误差、各支路频率跟踪误差、各支路等效源失配误差；

计算出各支路的有限方向误差、频率跟踪误差和等效源失配误差后，构建补偿关系式，即

10.根据权利要求4所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(3)①的具体过程是，通过上位机向射频多路切换开关控制器与矢量网络分析仪发出数据采集指令，采集含水合物多孔介质中各支路的反射系数，记录信息并上传回上位机。

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