CN112230068A - 基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法 - Google Patents

基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波材料介电性能测试技术领域，具体提供一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法，用以克服传统谐振法只能对单一谐振点频处待测材料的复介电常数进行测试，无法实现连续扫频。本发明采用重入式同轴腔，利用腔体内部的环状介质扰动块，对腔体内的场进行扰动，实现可调频重入式同轴腔；并根据可调频重入式同轴腔的各个谐振模式下环状扰动块的位置h与微扰公式中比例系数η的函数η(h)、以及可调频重入式同轴腔加载待测样品前后谐振频率和品质因数，利用微扰算法计算出待测样品的复介电常数；即本发明能够实现一定频率范围内待测样品的复介电常数测量，且测试系统便于安装、操作简单、检测精度高。

Description

基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法
技术领域
本发明属于微波材料介电性能测试技术领域，具体提供一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法。
背景技术
目前我国的材料技术正以前所未有的速度向前发展，尤其在电子领域中，各式各样的材料广泛被应用于航空航天、无线通讯及电磁波检测等领域。在低频段检测理论和方法、军用P波段雷达通信与雷达隐身、探地雷达及其成像技术、生物医学、环境保护、食品安全检测等诸多方面，对应用于其中的不同类型的材料进行复介电常数的高精度测量有着极其迫切的需求，而现有技术手段主要采用电容法、利用天线或雷达测反射等方法进行材料低频性能检测，测试误差大；而同轴谐振法不仅测试精度极高，且低频应用时尺寸也较同频段的天线或其他传感器小。微波谐振腔是一种具有储能与频率选择性作用的微波元件，应用于谐振法当中；但相对比于网络参数法，虽然谐振法的测试精度较高，但其只能对单一谐振点频处待测材料的复介电常数进行测试，无法实现连续扫频。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统，包括：调频模块与微波测试模块；其特征在于，
所述微波测试模块包括：重入式同轴腔、耦合调节器(7a、7b)、幅相测试模块(8)、程控计算机(9)；所述重入式同轴腔通过耦合调节器(7a、7b)进行能量耦合，所述耦合调节器通过微波同轴传输线(14a、14b)与幅相测试模块(8)相连接；所述程控计算机(9)通过数据传输线(15)与幅相测试模块(8)相连；
所述重入式同轴腔由外导体(10)、内导体(11)、上端盖板(12)及下端盖板(13)构成，所述外导体与内导体同心设置，所述内导体顶端中心位置开设有样品测试孔，所述上端盖板对应于样品测试孔开设样品窗口，所述下端盖板嵌入设置耦合调节器；
所述调频模块包括：环状介质扰动块(1)、夹持杆(2)、环形夹具(3)、滑块(4)、导轨(5)、步进电机(6)；所述环状介质扰动块设置于所述重入式同轴腔的外导体(10)与内导体(11)之间；所述环形夹具环绕所述重入式同轴腔的外导体(10)设置、且固定连接于滑块上，所述夹持杆一端固定于环形夹具上、另一端固定于环状介质扰动块上、以实现环状介质扰动块与环形夹具的同步移动；所述滑块设置于导轨(5)上，所述步进电机(6)通过控制串口线(16)与程控计算机(9)相连，程控计算机控制步进电机带动滑块沿导轨上下移动、进而带动环状介质扰动块在重入式同轴腔中上下移动；同时，所述重入式同轴腔的外导体(10)侧壁上对应于夹持杆位置开设有缝隙。
进一步的，所述环状介质扰动块(1)与夹持杆(2)均为石英或聚四氟乙烯材料。
进一步的，所述环状介质扰动块(1)的高度小于λmin，λmin为测试系统工作的最小波长。
进一步的，所述重入式同轴腔的腔体高度l满足：
Figure BDA0002692042000000021
c为真空中光速，fmin为测试系统工作的最低频率。
一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试方法，包括以下步骤：
步骤1.将待测样品放入样品测试孔，通过程控计算机控制步进电机、进而调节环状介质扰动块的高度h使可调频重入式同轴腔的谐振频点到达待测频点fs；
步骤2.调节耦合调节器使得可调频重入式同轴腔在谐振频点fs处的品质因数达到最大，并由幅相测试模块测试此时的品质因数Qs；
步骤3.取出待测样品，进行空腔校准，由幅相测试模块测试此时的谐振频率f0与品质因数Q0；
步骤4.由程控计算机计算得到待测样品复介电常数；
Figure BDA0002692042000000022
其中，η(h)为比例系数。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法，采用重入式同轴腔，利用腔体内部的环状介质扰动块，对腔体内的场进行扰动，进而改变腔体的谐振频率，实现可调频重入式同轴腔；同时，利用标准样品(如石英)进行校订，经过测试分析，拟合得到可调频重入式同轴腔的各个谐振模式下环状扰动块的位置(高度h)与微扰公式中比例系数η的函数η(h)；最后对比可调频重入式同轴腔加载待测样品前后谐振频率和品质因数的变化，利用微扰算法计算出待测样品的复介电常数。相比于传统谐振法的点频测试，本发明复介电常数测试系统基于可调频重入式同轴腔，能够在一定频率范围内对待测材料进行复介电常数的测量；并且，测试系统便于安装，操作简单，检测精度高。
附图说明
图1为本发明基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统结构示意图；
图2为本发明中环状介质扰动块、夹持杆与环形夹具的结构示意图；
图3为本发明中重入式同轴腔的结构示意图；
图4为本发明中可调频重入式同轴腔的结构示意图；
其中，1为环状介质扰动块，2为夹持杆，3为环形夹具，4为滑块，5为导轨，6为步进电机，7a、7b为耦合调节器，8为幅相测试模块，9为程控计算机，10为外导体，11为内导体，12为上端盖板，13为下端盖板，14a、14b为微波同轴传输线，15为数据传输线，16为串口线，17为样品。
图5为本发明中重入式同轴腔内电场与磁场分布，其中，左图为电场分布图、右图为磁场分布图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例提供一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统，其结构示意图如图1所示，具体包括：调频模块与微波测试模块；
所述微波测试模块包括：重入式同轴腔、耦合调节器(7a、7b)、幅相测试模块(8)、程控计算机(9)；所述重入式同轴腔通过耦合调节器(7a、7b)进行能量耦合，所述耦合调节器通过微波同轴传输线(14a、14b)与幅相测试模块(8)相连接；所述程控计算机(9)通过数据传输线(15)发送控制指令给幅相测试模块(8)，设置其发生信号的频率范围、点数以及功率，并将测试得到的频点信息返回给程控计算机(9)；
所述重入式同轴腔由外导体(10)、内导体(11)、上端盖板(12)及下端盖板(13)构成，所述外导体与内导体同心设置，所述上端盖板与外导体相连，所述下端盖板与外导体、内导体均相连；所述内导体顶端中心位置开设有样品测试孔，所述上端盖板上对应于样品测试孔开设样品窗口，使得待测样品穿过样品窗口插入样品测试孔中；所述耦合调节器嵌入下端盖板，通过能量耦合对腔体进行品质因数和谐振频率的测试；如图3所示；
所述调频模块包括：环状介质扰动块(1)、夹持杆(2)、环形夹具(3)、滑块(4)、导轨(5)、步进电机(6)；所述环状介质扰动块设置于所述重入式同轴腔的外导体(10)与内导体(11)之间，环状介质扰动块内径大于内导体直径、外径小于外导体内径；所述环形夹具环绕所述重入式同轴腔的外导体(10)设置、且固定连接于滑块上，所述夹持杆一端固定于环形夹具上、另一端固定于环状介质扰动块、以实现环状介质扰动块与环形夹具的同步移动；所述滑块设置于导轨上，所述步进电机(6)通过控制串口线(16)与程控计算机(9)相连，程控计算机(9)控制步进电机(6)带动滑块(4)沿导轨上下移动、进而带动环状介质扰动块在重入式同轴腔中上下移动；同时，所述重入式同轴腔的外导体(10)侧壁上对应于夹持杆位置开设有缝隙，且保证环状介质扰动块(1)在重入式同轴腔中的上下移动时、夹持杆与外导体相互不干涉；如图4所示；
本实施例中，环状介质扰动块(1)、夹持杆(2)与环形夹具(3)的连接结构如图2所示，采用3个依次间隔120°设置的夹持杆，环形夹具的侧壁开设与夹持杆形状、尺寸相匹配的固定窗口，环状介质扰动块的侧壁开设与夹持杆形状、尺寸相匹配的固定槽，并且夹持杆与固定窗口、固定槽一一对应；夹持杆穿过固定窗口后插入固定槽，即实现环状介质扰动块与环形夹具的同步移动。
更进一步的，本实施例中，环状介质扰动块(1)与夹持杆(2)均为石英；环状介质扰动块(1)的高度小于λmin，λmin是系统工作的最小波长；内导体(11)半径r1与外导体(10)半径r2需满足r2/r1＝3.49，使重入式同轴腔的特性阻抗为75Ω；内导体(11)半径r1与外导体(10)半径r2需满足λmin＞π(r1+r2)，避免腔体高次模的影响；样品窗口与样品测试孔的孔径相等，样品(17)直径小于样品窗口的孔径；重入式同轴腔的腔体高度需满足
Figure BDA0002692042000000041
c是真空中光速，fmin是系统工作的最低频率。
基于上述测试系统，本实施例还提供一种基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试方法，基于重入式同轴腔，根据不同的待测频点，选取不同的腔体谐振模式，改变环状介质扰动块(1)在腔体内部的位置(高度h)，使腔体谐振频率调整至待测频点，基于微扰理论以及不同腔体谐振模式下加载环状介质扰动块的腔体场分布，利用标准样品(如石英)，通过测试分析，拟合得到各个谐振模式下环状扰动块的位置(高度h)与微扰公式中比例系数η的函数η(h)，将函数代入腔体微扰公式计算待测材料的复介电常数；
Figure BDA0002692042000000051
Figure BDA0002692042000000052
其中，εr″为材料复介电常数的虚部，εr′为材料复介电常数的实部，f0为无样品加载时的腔体谐振频率，fs为样品加载时的腔体谐振频率，Q0为无样品加载时的腔体品质因数，Qs为样品加载时的腔体品质因数；
根据上述原理，本实施例中基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试方法，具体步骤如下：
步骤1.将待测样品放入样品测试孔，通过程控计算机控制步进电机、进而调节环状介质扰动块的高度h使可调频重入式同轴腔的谐振频点到达待测频点fs；
步骤2.调节耦合调节器使得可调频重入式同轴腔在谐振频点fs处的品质因数达到最大，并测试此时的品质因数Qs；
步骤3.取出待测样品，进行空腔校准，测试此时的谐振频率f0与品质因数Q0；
步骤4.根据下式计算得到待测样品复介电常数；
Figure BDA0002692042000000053
本实施例中，采用的重入式同轴腔工作在TEM00n模式，腔体内电场和磁场分布如图5所示，利用腔体内部的环状介质扰动块，对腔体内的场进行扰动，进而改变腔体的谐振频率，实现一定频率范围的测试，对比待测材料加入可调频重入式同轴腔前后，谐振频率和品质因数的变化，通过实验分析得出不同谐振模式下环状扰动块的高度以及等效相对复介电常数变化量与微扰公式中比例系数的函数，利用微扰算法计算出待测样品的复介电常数。
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 (5)

1.基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统，包括：调频模块与微波测试模块；其特征在于，
所述微波测试模块包括：重入式同轴腔、耦合调节器(7a、7b)、幅相测试模块(8)、程控计算机(9)；所述重入式同轴腔通过耦合调节器(7a、7b)进行能量耦合，所述耦合调节器通过微波同轴传输线(14a、14b)与幅相测试模块(8)相连接；所述程控计算机(9)通过数据传输线(15)与幅相测试模块(8)相连；
所述重入式同轴腔由外导体(10)、内导体(11)、上端盖板(12)及下端盖板(13)构成，所述外导体与内导体同心设置，所述内导体顶端中心位置开设有样品测试孔，所述上端盖板对应于样品测试孔开设样品窗口，所述下端盖板嵌入设置耦合调节器；
所述调频模块包括：环状介质扰动块(1)、夹持杆(2)、环形夹具(3)、滑块(4)、导轨(5)、步进电机(6)；所述环状介质扰动块设置于所述重入式同轴腔的外导体(10)与内导体(11)之间；所述环形夹具环绕所述重入式同轴腔的外导体(10)设置、且固定连接于滑块上，所述夹持杆一端固定于环形夹具上、另一端固定于环状介质扰动块上、以实现环状介质扰动块与环形夹具的同步移动；所述滑块设置于导轨(5)上，所述步进电机(6)通过控制串口线(16)与程控计算机(9)相连，程控计算机控制步进电机带动滑块沿导轨上下移动、进而带动环状介质扰动块在重入式同轴腔中上下移动；同时，所述重入式同轴腔的外导体(10)侧壁上对应于夹持杆位置开设有缝隙。
2.按权利要求1所述基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统，其特征在于，所述环状介质扰动块(1)与夹持杆(2)均为石英或聚四氟乙烯材料。
3.按权利要求1所述基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统，其特征在于，所述环状介质扰动块(1)的高度小于λmin，λmin为测试系统工作的最小波长。
4.按权利要求1所述基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统，其特征在于，所述重入式同轴腔的腔体高度l满足：
Figure FDA0002692041990000011
c为真空中光速，fmin为测试系统工作的最低频率。
5.基于权利要求1所述基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤1.将待测样品放入样品测试孔，通过程控计算机控制步进电机、进而调节环状介质扰动块的高度h使可调频重入式同轴腔的谐振频点到达待测频点fs；
步骤2.调节耦合调节器使得可调频重入式同轴腔在谐振频点fs处的品质因数达到最大，并由幅相测试模块测试此时的品质因数Qs；
步骤3.取出待测样品，进行空腔校准，由幅相测试模块测试此时的谐振频率f0与品质因数Q0；
步骤4.由程控计算机计算得到待测样品复介电常数；
Figure FDA0002692041990000021
其中，η(h)为比例系数。
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