CN112051453B - 一种高温流体材料介电性能远距离测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，属于介电性能测试领域。该装置通过在谐振腔上加载点聚焦天线，将待测材料放置于点聚焦天线的焦点处，将介质材料对天线辐射的影响转化为谐振腔谐振参数的变化，从而实现待测材料的介电性能测量，整个测试过程中，无需与待测材料接触即可实现介电性能测试，具有测试灵敏度高、作用距离远等特点，且测试装置简单易安装，适合现场原位检测。除此之外，本发明装置在待测材料位置固定的情况下，可将测试装置放置于移动平台上，通过移动测试装置，可以实现流体材料这种具有分布不均匀特殊材料的不同位置的等效介电性能测试。

Description

一种高温流体材料介电性能远距离测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于介电性能测试领域，涉及一种介电性能远距离测试装置，具体涉及一种高温流体材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置及其测试方法。

背景技术

随着现代航天、火箭和导弹技术的快速发展，飞行器飞行速度已达到高超声速级别。当飞行器以如此高速度飞行时，其表面与周围气体的相互作用会产生高温流场。因此，准确获取此类流场的电子数密度及介电性能等关键参数，对解决飞行器通信及瞄准问题有着至关重要的意义。

目前，针对高温高压等极端环境下的流体材料(如喷气发动机尾焰、高温等离子体、高温气体等)，传统的介电性能测试方法表现出了很大的局限性。例如，专利号为CN93214615.5的“等离子体探针诊断试验仪”专利中提供的探针测试法需要将探针伸入材料内部进行接触测试，不仅会对待测流体材料产生扰动，同时探针也难以承受极高温；专利号为CN201711279106.X的“一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法”专利中提供的基于天线传输/反射法虽然可以实现远距离非接触测试，但测试精度不高；专利号为CN201310247383.8的“一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法”专利中提供的准光腔法能够实现非接触式高精度测试，但待测材料需穿过腔体，且准光腔反射镜与待测材料需保持足够安全距离，限制了待测材料尺寸，无法针对大面积高温流体材料进行测试。

除此之外，等离子体本身是由产生处到外围的不均匀分布状态，使得不同位置的等离子体的介电性能参数会有不同，并且在特定情况下，需要进行局部位置测试得到其介电性能。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种高温流体材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置。该装置通过在谐振腔上加载点聚焦天线，将待测材料放置于点聚焦天线的焦点处，将介质材料对天线辐射的影响转化为谐振腔谐振参数的变化，从而实现待测材料的介电性能测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，包括谐振腔、点聚焦天线、矩圆过渡器、微波电缆和矢量网络分析仪；所述谐振腔包括一个强耦合端口和两个弱耦合端口，所述强耦合端口通过矩圆过渡器连接点聚焦天线，所述弱耦合端口通过微波电缆连接矢量网络分析仪；所述两个弱耦合端口对称设置于谐振腔内壁底面半径方向磁场最强处，所述强耦合端口设置于谐振腔侧壁中心处。

进一步地，所述谐振腔的工作模式为TE₀₁₁谐振模式。

进一步地，所述谐振腔内壁半径a和高度l根据谐振腔工作模式进行设计。

进一步地，所述谐振腔为高Q型圆柱谐振腔，弱耦合端口通过环耦合实现，强耦合端口通过孔耦合或缝耦合实现。

进一步地，所述点聚焦天线包括圆锥喇叭和介质透镜，所述介质透镜设置于圆锥喇叭口径处；所述圆锥喇叭馈电端口为矩形波导，与谐振腔的强耦合端口连接，矩形波导通过矩圆过渡器过渡到圆锥喇叭；所述介质透镜为双凸透镜，辐射方向一侧的焦距根据测试距离进行设计。

基于上述高温流体材料介电性能远距离测试装置测试材料介电性能的方法，具体为：将待测材料放置于点聚焦天线焦点处后，通过矢量网络分析仪对谐振腔的谐振频率和品质因数两个谐振参数变化量进行测量，进而反演待测材料的介电性能。

进一步地，反演待测材料的介电性能的具体过程包括以下步骤：

步骤1.连接装置，谐振腔输入阻抗Z_in为如下公式：

其中，

为高Q型谐振腔的空腔谐振频率，

为高Q型谐振腔的品质因数Q值，H为高Q型谐振腔内的磁场强度，R_s为高Q型谐振腔内壁的表面电阻，s₀为高Q型谐振腔的侧面面积，L、R、C为高Q型谐振腔等效集总电感、电阻、电容，w为测试频率，I_o为等效电流；

步骤2.采用金属盖板封住天线加载谐振系统的强耦合端口，使之成为单个高Q型谐振腔，通过矢量网络分析仪测量高Q型谐振腔的TE₀₁₁模式下的谐振频率w_a和Q_a，联立计算公式(1)和公式(2)，得出高Q型谐振腔的集总电路参数L、R、C；

步骤3.测试天线加载谐振系统未加载待测材料时的谐振频率w₀和品质因数Q₀；

步骤4.等效强耦合端为电导ΔG和电容ΔC的并联，点聚焦天线焦点处加载待测材料后，其介电性能影响电导ΔG和电容ΔC的数值大小，进而影响谐振系统的谐振频率和Q值；等效电导ΔG和等效电容ΔC可以写成待测材料介电常数ε′和损耗角正切值tanδ的关系式：

ΔC＝ε′ε₀h(ε′) (3)

ΔG＝wε′ε₀h(ε′)tanδ (4)

公式(3)、(4)适用的待测材料应使得电磁波损耗完全，而不透过材料进行辐射；

半无限厚度样品有效，实际情况对于测试体积比较大的尾焰、等离子体和高温气体，由于待测材料损耗比较大，因此上述公式也能适用；上述公式中，h(ε′)是关于ε′的关系式，该关系式可以通过谐振腔测试标准介电样品的谐振频率和Q值而确定，ε₀为真空介电常数；

测试天线加载谐振系统加载待测材料后的谐振频率w₁和品质因数Q₁，将步骤3测试结果w₀、Q₀和w₁、Q₁代入下列公式：

联立方程(5)、(6)，即可求得待测材料的介电常数ε′和损耗角正切值tanδ。

进一步地，所述待测材料可以为高温流体材料、有限厚平板或半无限厚平板，所述待测材料的厚度应使电磁波不能穿透。

进一步地，所述有限厚平板或半无限厚平板的表面垂直于点聚焦天线的轴线，平板横向尺寸大于点聚焦天线焦点处焦斑3倍直径尺寸。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明天线加载谐振装置通过将待测材料放置于天线焦点位置，无需与待测材料接触即可实现介电性能测试，因此适用于等离子体、发动机尾焰和高温气体等特殊流体材料的测试；本发明装置具有测试灵敏度高、作用距离远等特点，且测试装置简单易安装，适合现场原位检测。

2.本发明测试装置在待测材料位置固定的情况下，可将测试装置放置于移动平台上，通过移动测试装置，可以实现流体材料这种具有分布不均匀特殊材料的不同位置的等效介电性能测试。

附图说明

图1为本发明材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置示意图。

图2为本发明谐振腔内TE₀₁₁模式电磁场分布图，其中，实线为电场线，虚线为磁场线。

图3为本发明点聚焦天线的近场辐射图。

图4为本发明材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置对不同待测材料的谐振曲线响应。

图5为本发明材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振系统测试等效电路图。

图中，1是谐振腔，2是点聚焦天线，3是矢量网络分析仪，4、5是微波电缆，6是待测材料，11是强耦合端口，12、13是弱耦合端口，21是喇叭天线，22是介质透镜，23是矩圆过渡器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，其示意图如图1所示，包括谐振腔1、点聚焦天线2和矢量网络分析仪3；所述谐振腔包括一个强耦合端口11和两个弱耦合端口12、13，所述强耦合端口11通过矩圆过渡器23连接点聚焦天线2，所述弱耦合端口12、13通过微波电缆4、5连接矢量网络分析仪3；所述两个弱耦合端口对称设置于谐振腔内壁底面半径方向磁场最强处，所述强耦合端口设置于谐振腔侧壁中心处，待测材料置于点聚焦天线2焦点处后，通过矢量网络分析仪3对谐振腔1的谐振参数变化量进行测量，进而反演待测材料的介电性能。

本实施例采用高Q型圆柱谐振腔，工作模式采用TE₀₁₁谐振模式，在这个模式工作，Q值很高，有利于测试低介电损耗材料测试。弱耦合端口采用环耦合，强耦合方式采用小孔耦合。TE₀₁₁谐振模式的场分布如图2所示，其中，实线为电场线，虚线为磁场线。在圆柱腔底面，磁场只存在ρ方向(径向)分量，且磁场分量在ρ方向按一阶贝塞尔函数变化，在ρ＝0和ρ＝a最小而在半径中部最强，因此在腔内壁底面引入对称的耦合环，并置于半径方向磁场最强处。

耦合环环面与腔内磁力线ρ分量方向垂直，可使谐振模式的磁力线穿过耦合环，此布置容易激励起TE₀₁₁谐振模式。在谐振腔内壁的侧壁只存在磁场的z分量，其在z方向按正弦函数分布，在z＝l/2处最强，因此将耦合孔设置于谐振腔侧壁中部，该位置磁场最强。耦合孔采用圆孔，圆孔直径控制谐振腔能量对外辐射的程度。小孔连接矩形波导可以激发矩形波导的TE₁₀模式，再经过矩圆过渡器23，实现能量从谐振腔耦合到天线，用于传输电磁波。

本发明装置通过强耦合端口连接点聚焦天线，点聚焦天线的作用是将谐振腔向外辐射的能量汇聚在焦点位置，其近场辐射分布如图3所示。辐射的电磁波遇到待测材料后被反射，反射信号与谐振腔内部电磁场互作用，进而影响谐振腔谐振参数变化，通过谐振参数变化反演出待测材料介电参数。由于谐振腔的高灵敏度优势，可以较准确地测出其介电性能。另外，由于点聚焦天线的远距离探测和窄波束等优点，本发明可以实现待测材料远距离、高精度的均匀性测试。

采用本发明装置，对聚四氟乙烯，亚克力和玻璃钢这3种介质材料进行实际测试，其相对介电常数和介电损耗依次增大，材料尺寸均为120×120×3mm³。按照图1的结构搭建好测试系统后，先测试不加载待测材料时谐振腔的谐振频率和品质因数，然后将三种待测材料依次置于距离介质透镜300mm的焦点位置，测试其谐振频率和品质因数。测试结果如图4所示，不放置材料(即空气加载)的谐振频率和品质因数最高，随着待测材料相对介电常数的增大，谐振频率逐渐向左偏移；随着待测材料介电损耗的增大，谐振峰曲线逐渐变宽，即品质因数逐渐减小。根据上述实验结果可知，当待测材料置于点聚焦天线焦点位置时，待测材料相对介电常数的增大造成了天线的S11反射系数增大，其反射回的电磁能量对谐振腔内部电磁场产生了影响，因此频率偏移量增大；而待测材料介电损耗的增大造成天线的辐射能量损耗增大，进而造成谐振腔品质因数变小。

本发明提供的材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置，其介电性能测试算法模型可采用图5所示的电路进行等效。图中V为矢量网络分析仪内部提供的信号源，R₀表示源阻抗；L、R、C为高Q型谐振腔等效集总电感、电阻、电容，ΔG为强耦合端口处等效的辐射端孔电导，ΔC为辐射端孔等效电容，利用线圈h和d的互感模拟耦合环与谐振腔之间的耦合机制，d是整个谐振腔的等效腔长，h表示等效耦合长度。谐振腔输入阻抗Z_in为如下公式：

其中，

为高Q型谐振腔的空腔谐振频率，

为高Q型谐振腔的品质因数Q值，R是高Q型谐振腔的等效电阻，H为高Q型谐振腔内的磁场强度，R_s为高Q型谐振腔内壁的表面电阻，s₀为高Q型谐振腔的侧面。公式(1)是由等效电路得出，公式(2)是由电路理论计算公式

得出。为了确定L、R、C的数值，先采用金属盖板封住天线加载谐振系统的强耦合端口，使之成为单个高Q型谐振腔，通过矢量网络分析仪测量高Q型谐振腔的TE₀₁₁模式谐振频率w_a和Q_a，即可采用公式(1)和公式(2)联立计算得出高Q型谐振腔的集总电路参数L、R、C。

本发明提供的天线加载谐振装置，强耦合端可以等效为电导ΔG和电容ΔC的并联。点聚焦天线焦点处加载待测材料，其介电性能影响电导ΔG和电容ΔC的数值大小，进而影响谐振系统的谐振频率和Q值。等效电导ΔG和等效电容ΔC可以写成待测材料介电常数ε′和损耗角正切值tanδ的关系式：

ΔC＝ε′ε₀h(ε′) (3)

ΔG＝wε′ε₀h(ε′)tanδ (4)

公式(3)、(4)针对半无限厚度样品有效，实际情况对于测试体积比较大的尾焰、等离子体和高温气体，由于待测材料损耗比较大，因此上述公式也能适用。上述公式中，h(ε′)是关于ε′的关系式，该关系式可以通过谐振腔测试标准介电样品的谐振频率和Q值而确定。根据以上公式分析，天线加载谐振系统的测试步骤如下：

步骤1.测试天线加载谐振系统未加载待测材料时的谐振频率w₀和品质因数Q₀。

步骤2.测试天线加载谐振系统加载待测材料后的谐振频率w₁和品质因数Q₁。

步骤3.将步骤1和步骤2测得的两组数据代入下列公式：

联立方程(5)、(6)，即可求得待测材料的介电常数ε′和损耗角正切值tanδ。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述测试装置包括谐振腔、点聚焦天线、矩圆过渡器、微波电缆和矢量网络分析仪；所述谐振腔包括一个强耦合端口和两个弱耦合端口，所述强耦合端口通过矩圆过渡器连接点聚焦天线，所述弱耦合端口通过微波电缆连接矢量网络分析仪；所述两个弱耦合端口对称设置于谐振腔内壁底面半径方向磁场最强处，所述强耦合端口设置于谐振腔侧壁中心处，同时，将待测材料放置于点聚焦天线焦点处。

2.如权利要求1所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述谐振腔的工作模式为TE₀₁₁谐振模式。

3.如权利要求2所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述谐振腔内壁半径a和高度l根据谐振腔工作模式进行设计。

4.如权利要求1所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述谐振腔为高Q型圆柱谐振腔，弱耦合端口通过环耦合实现，强耦合端口通过孔耦合或缝耦合实现。

5.如权利要求1所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述点聚焦天线包括圆锥喇叭和介质透镜，所述介质透镜设置于圆锥喇叭口径处；所述圆锥喇叭馈电端口为矩形波导，与谐振腔的强耦合端口连接，矩形波导通过矩圆过渡器过渡到圆锥喇叭；所述介质透镜为双凸透镜，辐射方向一侧的焦距根据测试距离进行设计。

6.基于如权利要求1～5任一权利要求所述高温流体材料介电性能远距离测试装置测试材料介电性能的方法，其特征在于，将待测材料放置于点聚焦天线焦点处后，通过矢量网络分析仪对谐振腔的谐振频率和品质因数两个谐振参数变化量进行测量，进而反演待测材料的介电性能。

7.如权利要求6所述测试材料介电性能的方法，其特征在于，反演待测材料的介电性能的具体过程包括以下步骤：

步骤1.连接装置，谐振腔输入阻抗Z_in为如下公式：

其中，

为高Q型谐振腔的空腔谐振频率，

为高Q型谐振腔的品质因数Q值，H为高Q型谐振腔内的磁场强度，R_s为高Q型谐振腔内壁的表面电阻，s₀为高Q型谐振腔的侧面面积，L、R、C为高Q型谐振腔等效集总电感、电阻、电容，w为测试频率，I_o为等效电流；

步骤2.采用金属盖板封住天线加载谐振系统的强耦合端口，使之成为单个高Q型谐振腔，通过矢量网络分析仪测量高Q型谐振腔的TE₀₁₁模式下的谐振频率w_a和Q_a，联立计算公式(1)和公式(2)，得出高Q型谐振腔的集总电路参数L、R、C；

步骤3.测试天线加载谐振系统未加载待测材料时的谐振频率w₀和品质因数Q₀；

步骤4.等效强耦合端为电导ΔG和电容ΔC的并联，点聚焦天线焦点处加载待测材料后，等效电导ΔG和等效电容ΔC关于待测材料介电常数ε′和损耗角正切值tanδ的关系式为：

ΔC＝ε′ε₀h(ε′) (3)

ΔG＝wε′ε₀h(ε′)tanδ (4)

上述公式中，h(ε′)是关于ε′的关系式，ε₀为真空介电常数；

测试天线加载谐振系统加载待测材料后的谐振频率w₁和品质因数Q₁；将步骤3测试结果w₀、Q₀和w₁、Q₁代入下列公式：

联立方程(5)、(6)，即可求得待测材料的介电常数ε′和损耗角正切值tanδ。

8.如权利要求7所述测试材料介电性能的方法，其特征在于，所述待测材料为高温流体材料、有限厚平板或半无限厚平板，所述待测材料的厚度应使电磁波不能穿透。

9.如权利要求8所述测试材料介电性能的方法，其特征在于，所述有限厚平板或半无限厚平板的表面垂直于点聚焦天线的轴线，平板横向尺寸大于点聚焦天线焦点处焦斑3倍直径尺寸。

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