CN112198468A

CN112198468A - 一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置

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Publication number: CN112198468A
Application number: CN202010953181.5A
Authority: CN
Inventors: 张劲松; 孙家言; 李处森; 马嵩; 张志东
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: CN112198468B

Abstract

本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置。截面为矩形的测试段波导水平设置，可以传输微波的被测微波介质材料放置在测试段波导内腔的正中间，并将测试段波导内腔从中间隔开，测试段波导的两端分别设有一段相同尺寸的温度隔离波导：温度隔离波导一、温度隔离波导二，温度隔离波导一的外端设有波导同轴转换器一，温度隔离波导二的外端设有波导同轴转换器二；测试段波导外侧环绕设置液氮制冷腔，液氮制冷腔外侧环绕设置真空隔热腔，真空隔热腔外侧设置保温层。本发明采用矩形波导法测试原理，可以实现从室温至超低温‑165℃及以下的介质材料复电磁参数测试。

Description

一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置。

背景技术

微波是指波长很短即频率很高的电磁波，是一种在不同介质中存在的交变电磁场，在广义上，它的频率范围在300MHz～3000GHz，即波长从1m到0.1mm范围内的电磁波都可称为微波，不过通常把波长1cm以下至0.1mm的电磁波专门称为毫米波及亚毫米波，而把波长1cm以上至1m的电磁波才称为微波，对应频率为300MHz～30GHz。

近年来，随着空间站建设和探月工程的稳步推进，各类航天器及相关地面测试设备对微波材料的需求日益迫切，主要包括：一是用于反地基或天基雷达探测，即空间电磁波吸收材料；二是用于空间站、卫星等航天器天线性能测试，即仿真空间环境暗室材料。为此，开展微波材料在空间环境下的电磁特性研究尤为重要。

通常绕地低轨飞行航天器在近日端承受50℃～100℃高温，在远日端承受-100℃以上低温，而绕地高轨飞行和绕月飞行航天器在远日端则需承受-100℃以下超低温；对于未来的登月、火星计划等深空探索而言，航天器也必需面对超低温空间环境。在此超低温环境下，需要对上述航天器进行电磁波吸收与电磁波屏蔽保护，因此在太空的超低温环境下对电磁波吸收与屏蔽材料的电磁参数测量方法与技术成为必须要解决的问题。低温/超低温环境对微波材料的电磁性能产生显著影响：对于磁损耗型微波材料而言，作为软磁材料，低温/超低温环境会促成其磁相变发生及磁晶各向异性巨大改变，对其电磁特性及微波性能影响巨大；对于介电损耗型微波材料而言，低温/超低温环境会改变其载流子移动能力及微观粒子驰豫程度，对其电磁特性能产生一定影响。

因此，研制微波材料超低温电磁参数测试方法，对系统掌握电磁波吸收与电磁波屏蔽材料在空间超低温环境下的电磁特性及变化规律，设计开发高性能空间微波材料，满足深空探索需求具有重要意义。

电磁波吸收与电磁波屏蔽材料电磁性能的常温测试技术相对成熟。但是，对电磁波吸收与电磁波屏蔽材料电磁性能的超低温测试方法与技术的研究还没有充分开展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便、使用和维护成本低的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，采用矩形波导法测试原理与液氮循环或补充注入冷却模式针对微波各频段，可以实现从室温至超低温-190℃及以下的介质材料复电磁参数测试。

本发明的技术方案是：

一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，截面为矩形的测试段波导[1]水平设置，可以传输微波的被测微波介质材料[5]放置在测试段波导[1]内腔的正中间，并将测试段波导内腔从中间隔开，测试段波导[1]的两端分别设有一段相同尺寸的温度隔离波导：温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]，温度隔离波导一[6]的外端设有波导同轴转换器一[26]，温度隔离波导二[7]的外端设有波导同轴转换器二[27]；测试段波导[1]外侧环绕设置液氮制冷腔[2]，液氮制冷腔[2]外侧环绕设置真空隔热腔[3]，真空隔热腔[3]外侧设置保温层[4]。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，两个温度隔离波导内腔尺寸完全一致，其内填充有尺寸、性能完全一致的低介电常数低损耗微波透波材料。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，测试段波导[1]的矩形截面内腔窄边正中位置设有用于放置测试被微波材料温度的热电偶[10]的测温孔[11]，热电偶通过测温孔插入测试段波导[1]，并与被测微波介质材料[5]充分接触。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，被测微波介质材料[5]两侧对称位置的测试段波导[1]上，分别对称设置有：进气孔一[12]与进气孔二[13]，以及出气孔一[14]与出气孔二[15]，进气孔一[12]、出气孔一[14]与被测微波介质材料一侧的测试段波导[1]内腔相连通，进气孔二[13]、出气孔二[15]与被测微波介质材料[5]另一侧的测试段波导[1]内腔相连通。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，测试段波导[1]外侧的液氮制冷腔[2]设置有与外界相连的液氮注入管[16]和液氮蒸汽排出口[17]，液氮注入管[16]进口设置一用于注入液氮的可装卸漏斗[18]，液氮通过可装卸漏斗[18]注入并及时补充，或者通过液氮注入管[16]和液氮及液氮蒸汽排出口[17]连接液氮循环系统。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，液氮制冷腔[2]外侧的真空隔热腔[3]设置有一管路[19]，管路[19]连接用以维持真空隔热腔[3]真空度的真空泵。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，温度隔离波导一[6]的外侧设置循环水腔一[20]，循环水腔一[20]上分别连接进水口一[22]、出水口一[24]；温度隔离波导二[7]的外侧设置循环水腔二[21]，循环水腔二上分别连接进水口二[23]、出水口二[25]。

所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，测试段波导[1]为中心开设矩形截面内腔、两端带矩形法兰的结构，温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]均为中心开设矩形截面内腔、两端带矩形法兰的结构。

温度隔离波导一[6]的一端通过法兰与测试段波导[1]的一端紧密对接，温度隔离波导一[6]的另一端通过法兰与波导同轴转换器一[26]的开口端紧密对接；温度隔离波导二[7]的一端通过法兰与测试段波导[1]的另一端紧密对接，温度隔离波导二[7]的另一端通过法兰与波导同轴转换器二[27]的开口端紧密对接；并且，温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]分别作为波导同轴转换器一[26]、波导同轴转换器二[27]的一部分，并参与波导法校准。

本发明的设计思想是：

如图1所示，本发明在通用的波导同轴转换器(波导同轴转换器一[26]、波导同轴转换器二[27])基础上，采用温度隔离波导(温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7])作为波导同轴转换器的延长波导，即作为波导同轴转换器的一部分，这两个温度隔离波导腔尺寸完全一致，其内紧密填充有尺寸、性能完全一致的低介电常数低损耗电磁波透波材料(微波透波材料一[8]、微波透波材料二[9])，用以隔离测试段波导[1]与波导同轴转换器一[26]波导同轴转换器二[27]之间的冷热气体对流，同时，温度隔离波导腔外设置有循环水腔(循环水腔一[20]、循环水腔二[21])及进水口(进水口一[22]、进水口二[23])、出水口(出水口一[24]、出水口二[25])，使用时通有循环水，以确保温度隔离波导的靠近波导同轴转换器一侧处于室温，从而可以实现波导同轴转换器和测试段波导[1]间的冷热隔离，确保波导同轴转换器及与其连接的同轴线处于其本身技术要求的室温状态，从而确保其传输性能不受影响和低温测试的准确性。

操作过程中，先对连接有温度隔离波导腔的波导同轴转换进行TRL波导法校准，校准完成后，将被测微波介质材料[5]放置在测试段波导[1]中心位置，再将测试段波导[1]分别与接有温度隔离波导一[6]的波导同轴转换器一[26]和接有温度隔离波导二[7]的波导同轴转换器二[27]连接在一起，然后通过进气孔一[12]、进气孔二[13]通入适当流量、温度的干燥气体对测试段波导[1]进行适当时间的气体置换，置换气体可以通过出气孔一[14]、出气孔二[15]以及测温孔[11]与热电偶[10]之间的的间隙排出，置换完成后，通过可装卸漏斗[18]沿着液氮注入管[16]注入液氮，并适时补充液氮，同时通过热电偶[10]监测被测微波介质材料[5]的温度，当被测微波介质材料[5]达到最低测试温度并稳定后，按照标准的波导法测试方法开始测试最低温度点的被测微波介质材料[5]的复电磁参数，然后停止补充液氮，被测微波介质材料[5]温度将随之缓慢上升，从而可以实现从低温至常温的间隔适当温度的连续测试。

本发明的优点及有益效果是：

(1)本发明的测试段波导外侧环绕设置液氮制冷腔，方便的采用液氮直接环形冷却，避免使用昂贵的制冷箱甚至是空间环境模拟器，这些方法不仅昂贵而且很不方便。

(2)本发明的测试段波导外侧环绕设置液氮制冷腔，方便的采用液氮直接冷却，在达到最低温度，并测试完毕后，停止供给液氮，系统温度会缓慢上升，同时用热电偶直接观测被测微波材料的温度，进而可以方便的进行低温至室温的被测微波材料的电磁参数变温测试，即被测微波材料电磁参数随温度变化的曲线，不需要使用繁琐的温控系统。

(3)本发明的波导原则上可采用适用于-190℃以下使用的任何金属材料加工，例如：导电良好的铝合金或者铜等，这些材料本身就是波导制作的常规材料。考虑到加工方便性，也可采用316l不锈钢，或者考虑到热胀冷缩的因素，可采用低膨胀合金4J36，但采用这类材料加工，为避免材料本身的铁磁性对测试造成影响，可在波导内腔镀铜或银等解决。实际因为温差变化只有200℃左右，热胀冷缩造成的变形量微乎其微，不会对测试结果产生很大影响，而且由于铝铜等材料导电性好，更适合用作波导材料。

(4)本发明的装置结构简单，很方便的对测试波导腔使用干燥气体置换，有效的避免了低温时波导结露，进而影响测试的准确度。

附图说明

图1为XC波段超低温波导测试平台示意图。图中，1测试段波导，2液氮制冷腔，3真空隔热腔，4保温层，5被测微波介质材料，6温度隔离波导一，7温度隔离波导二，8微波透波材料一，9微波透波材料二，10热电偶，11测温孔，12进气孔一，13进气孔二，14出气孔一，15出气孔二，16液氮注入管，17液氮蒸汽排出口，18可装卸漏斗，19管路，20循环水腔一，21循环水腔二，22进水口一，23进水口二，24出水口一，25出水口二，26波导同轴转换器一，27波导同轴转换器二。

图2为实施例微波介质材料样品介电常数实部在-160℃到+5℃条件下随频率变化曲线。

图3为实施例微波介质材料样品介电常数虚部在-160℃到+5℃条件下随频率变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施方案进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明所述的一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，采用矩形波导法测试原理设计，水平的测试段波导[1]外侧环绕设置液氮制冷腔[2]，液氮制冷腔[2]外侧环绕设置真空隔热腔[3]，真空隔热腔[3]外侧设置一定厚度的保温层[4]，保温层[4]根据实际需要可以为任意形状。测试段波导[1]为中心开设矩形截面内腔、两端带矩形法兰的结构，可以传输微波的被测微波介质材料[5]放置在测试段波导[1]内腔的正中间，并将测试段波导[1]内腔从中间隔开，被测微波介质材[5]料截面尺寸以与测试段波导[1]截面尺寸滑动配合为宜，测试段波导[1]的两端分别有一段相同尺寸的温度隔离波导：温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]，温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]均为中心开设矩形截面内腔、两端带矩形法兰的结构。

两个温度隔离波导内腔尺寸完全一致，其内填充有尺寸、性能完全一致的低介电常数低损耗微波透波材料，温度隔离波导一[6]内填充微波透波材料一[8]，温度隔离波导二[7]内填充微波透波材料二[9]，用以隔离冷热气体对流。本实施例中，低介电常数低损耗微波透波材料用的是在温度隔离波导内原位发泡的聚苯乙烯泡沫(也可以同样方法填充聚酰亚胺泡沫，只是成本略高)。

测试段波导[1]的矩形截面内腔窄边正中位置设有用于放置测试被微波材料[5]温度的热电偶[10]的测温孔[11]，热电偶[10]通过测温孔[11]插入测试段波导[1]，并与被测微波介质材料[5]充分良好接触，以保证准确监测被测微波介质材料[5]温度，并且正式开始测试时，热电偶[10]可以缩回适当距离或撤出，避免微波从此处泄露影响测试结果。

被测微波介质材料[5]两侧对称位置的测试段波导[1]上，分别对称设置有：进气孔一[12]、进气孔二[13]、出气孔一[14]、出气孔二[15]，进气孔一[12]、出气孔一[14]与被测微波介质材料[5]一侧的测试段波导[1]内腔相连通，进气孔二[13]、出气孔二[15]与被测微波介质材料[5]另一侧的测试段波导[1]内腔相连通，进气孔和出气孔可用于通入适当温度的干燥气体直至测试结束，从而测试空间不会因超低温环境而结露进而影响测试结果。

测试段波导[1]外侧的液氮制冷腔[2]设置有与外界相连的液氮注入管[16]和液氮蒸汽排出口[17]，液氮注入管[16]进口设置一用于注入液氮的可装卸漏斗[18]，液氮通过可装卸漏斗[18]注入并及时补充，也可通过液氮注入管[16]和液氮及液氮蒸汽排出口[17]连接液氮循环系统。液氮制冷腔[2]外侧的真空隔热腔[3]设置有一管路[19]，管路[19]连接用以维持真空隔热腔[3]真空度的真空泵。

温度隔离波导一[6]的外侧设置循环水腔一[20]，循环水腔一[20]上分别连接进水口一[22]、出水口一[24]；温度隔离波导二[7]的外侧设置循环水腔二[21]，循环水腔二[21]上分别连接进水口二[23]、出水口二[25]。使用时，循环水腔一[20]和循环水腔二[21]分别通有适量的循环水。

本实施例中，是以XC波段，即5.85～8.2GHz波段为例，装置全部采用316l不锈钢加工。其他波段只有对应尺寸不同，结构、组成、操作方法完全一样。首先将温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]分别与波导同轴转换器一[26]、波导同轴转换器二[27]连接，然后进行标准的TRL波导法校准，校准完成后，将被测微波介质材料[5]放置在测试段波导[1]中心位置，再将测试段波导[1]与接有温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]的波导同轴转换器一[26]、波导同轴转换器二[27]连接在一起，然后通过进气孔(进气孔一[12]、进气孔二[13])通入适当温度的干燥气体，并通过出气孔(出气孔一[14]、出气孔二[15])进行一定时间的置换；然后，通过可装卸漏斗[18]沿着液氮注入管[16]注入并适时补充液氮，同时通过热电偶[10]监测被测微波介质材料[5]的温度，当被测微波介质材料[5]达到预定测试温度，并稳定后，退出热电偶[10]，按照标准的波导法测试方法开始测试被测微波介质材料[5]的电磁参数，然后停止补充液氮，被测微波介质材料[5]温度随之缓慢上升，每隔一段温度进行一次测试，进而可以得到被测微波介质材料[5]从最低温度点至室温的复电磁参数的连续变化曲线。在不进行测试时，时刻保证热电偶[10]与被测微波介质材料[5]充分接触，以实时检测温度，达到预定温度开始测试时，短时退出热电偶[10]。

如图2所示，从所测微波介质材料样品介电常数实部在-160℃到+5℃条件下随频率变化曲线可以看出，所测微波介质材料样品介电常数实部随着温度下降，整体呈现下降趋势；其中，室温至0℃变化不大，0℃至-40℃变化较大，-40℃至-140℃时显示出均匀下降趋势，-140℃至-160℃基本不再变化。

如图3所示，从所测微波介质材料样品介电常数虚部在-160℃到+5℃条件下随频率变化曲线可以看出，所测微波介质材料样品介电常数虚部随着温度下降，整体也呈现下降趋势；其中，室温至0℃变化不大，0℃至-40℃变化较大，-40℃至-140℃时显示出均匀下降趋势，-140℃至-160℃基本不再变化。

Claims

1.一种波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，截面为矩形的测试段波导[1]水平设置，可以传输微波的被测微波介质材料[5]放置在测试段波导[1]内腔的正中间，并将测试段波导内腔从中间隔开，测试段波导[1]的两端分别设有一段相同尺寸的温度隔离波导：温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]，温度隔离波导一[6]的外端设有波导同轴转换器一[26]，温度隔离波导二[7]的外端设有波导同轴转换器二[27]；测试段波导[1]外侧环绕设置液氮制冷腔[2]，液氮制冷腔[2]外侧环绕设置真空隔热腔[3]，真空隔热腔[3]外侧设置保温层[4]。

2.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，两个温度隔离波导内腔尺寸完全一致，其内填充有尺寸、性能完全一致的低介电常数低损耗微波透波材料。

3.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，测试段波导[1]的矩形截面内腔窄边正中位置设有用于放置测试被微波材料温度的热电偶[10]的测温孔[11]，热电偶通过测温孔插入测试段波导[1]，并与被测微波介质材料[5]充分接触。

4.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，被测微波介质材料[5]两侧对称位置的测试段波导[1]上，分别对称设置有：进气孔一[12]与进气孔二[13]，以及出气孔一[14]与出气孔二[15]，进气孔一[12]、出气孔一[14]与被测微波介质材料一侧的测试段波导[1]内腔相连通，进气孔二[13]、出气孔二[15]与被测微波介质材料[5]另一侧的测试段波导[1]内腔相连通。

5.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，测试段波导[1]外侧的液氮制冷腔[2]设置有与外界相连的液氮注入管[16]和液氮蒸汽排出口[17]，液氮注入管[16]进口设置一用于注入液氮的可装卸漏斗[18]，液氮通过可装卸漏斗[18]注入并及时补充，或者通过液氮注入管[16]和液氮及液氮蒸汽排出口[17]连接液氮循环系统。

6.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，液氮制冷腔[2]外侧的真空隔热腔[3]设置有一管路[19]，管路[19]连接用以维持真空隔热腔[3]真空度的真空泵。

7.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，温度隔离波导一[6]的外侧设置循环水腔一[20]，循环水腔一[20]上分别连接进水口一[22]、出水口一[24]；温度隔离波导二[7]的外侧设置循环水腔二[21]，循环水腔二上分别连接进水口二[23]、出水口二[25]。

8.根据权利要求1所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，测试段波导[1]为中心开设矩形截面内腔、两端带矩形法兰的结构，温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]均为中心开设矩形截面内腔、两端带矩形法兰的结构。

9.根据权利要求8所述的波导法微波介质材料超低温复电磁参数测试装置，其特征在于，温度隔离波导一[6]的一端通过法兰与测试段波导[1]的一端紧密对接，温度隔离波导一[6]的另一端通过法兰与波导同轴转换器一[26]的开口端紧密对接；温度隔离波导二[7]的一端通过法兰与测试段波导[1]的另一端紧密对接，温度隔离波导二[7]的另一端通过法兰与波导同轴转换器二[27]的开口端紧密对接；并且，温度隔离波导一[6]、温度隔离波导二[7]分别作为波导同轴转换器一[26]、波导同轴转换器二[27]的一部分，并参与波导法校准。