CN112444681B - 介电材料测试系统、方法、装置及平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介电材料测试系统、方法、装置及平台，其中，系统包括网络分析仪、动态截止频率滤波器、动态频率读取装置和准光腔；其中，所述网络分析仪输出的电磁波经由所述动态截止频率滤波器滤波后，在所述准光腔内形成谐振；所述动态截止频率滤波器的滤波参数是基于所述准光腔内的准光腔谐振频率确定的，所述准光腔谐振频率是所述动态频率读取装置采集的。本发明提供的系统、方法、装置及平台，通过加设动态截止频率滤波器和动态频率读取装置，滤除了准光腔中的非TEM_00q模，使得Q值的测量不受非TEM_00q模的影响，保证了测量所得Q值的真实性，进而保证介电材料测量的可靠性，提高了介电材料测量的精度。

Description

介电材料测试系统、方法、装置及平台

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种介电材料测试系统、方法、装置及平台。

背景技术

目前，介电材料的性能测试通常是通过网络参数法和谐振腔法实现的，相较于网络参数法，谐振腔法更加适用于低损耗材料的测试，测试精度也更高。

谐振腔法包括圆柱形高Q法、介质谐振器法、带状线谐振法、矩形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介电材料的介电性能测试。常见的开放式谐振腔结构包括双平腔结构、平凹腔结构和双凹腔结构，其中平凹腔结构具有结构简单、装载样品方便等优点。

平凹腔结构的谐振腔的工作模式基模为TEM_00q，其衍射损耗较小，电磁波束可以在腔体内建立稳定的振荡，因此平凹腔结构的谐振腔有较高的Q值，可以达到很高的测试精度。

Mohammed N的文章《A new open-resonator technique at 60GHz forpermittivity and loss-tangent measurement of low-loss materials》中，介绍了准光腔求解的特征方程：

式中，tanδ为损耗角正切。

其中：

k＝2π/λ

由准光腔求解的两个特征方程，即介电常数求解和损耗求解的两个特征方程可以看出，样品损耗的大小与加载样品前的Q值(Q₀)和加载样品后的Q值(Q_L)有关，因此Q值的准确度直接影响损耗值的真实性。在高频情况下，基模TEM_00q附近会寄生许多非TEM_00q模式，导致测试所得Q值偏离真实值，影响测试精度。

发明内容

本发明提供一种介电材料测试系统、方法、装置及平台，用以解决现有的准光腔测试方案中非TEM00q模式的存在影响测试精度的问题。

本发明提供一种介电材料测试系统，包括网络分析仪、动态截止频率滤波器、动态频率读取装置和准光腔；

其中，所述网络分析仪输出的电磁波经由所述动态截止频率滤波器滤波后，在所述准光腔内形成谐振；

所述动态截止频率滤波器的滤波参数是基于所述准光腔内的准光腔谐振频率确定的，所述准光腔谐振频率是所述动态频率读取装置采集的。

根据本发明提供一种介电材料测试系统，所述动态频率读取装置用于采集所述准光腔谐振频率，并基于所述准光腔谐振频率确定基模谐振频率；

所述动态截止频率滤波器用于基于所述基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，并基于所述高次模谐振频率对所述电磁波进行滤波。

根据本发明提供一种介电材料测试系统，所述动态截止频率滤波器包括滤波分析模块和滤波模块；

所述滤波分析模块用于基于所述基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，并基于所述高次模谐振频率为滤波模块配置滤波截止频率；

所述滤波模块用于滤除所述电磁波中高次模产生的谐振峰。

根据本发明提供一种介电材料测试系统，所述滤波模块包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器中的至少一种。

根据本发明提供一种介电材料测试系统，所述滤波截止频率包括低通截止频率、高通截止频率和带通截止频率中的至少一种。

根据本发明提供一种介电材料测试系统，所述动态频率读取装置包括读取模块、读取分析模块和存储模块；

所述读取模块用于采集所述准光腔谐振频率；

所述读取分析模块用于基于所述准光腔谐振频率确定基模谐振频率；

所述存储模块用于存储所述基模谐振频率。

根据本发明提供一种介电材料测试系统，还包括准光腔控制装置；

所述准光腔控制装置用于基于所述准光腔谐振频率控制待测试的介电材料在所述准光腔中的测试位置。

本发明还提供一种基于介电材料测试系统的测试方法，包括：

确定所述准光腔的空腔f值和有载f值；

确定所述准光腔的空腔Q值和有载Q值；

基于所述空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值，确定介电材料的介电常数和/或损耗角正切值。

本发明还提供一种基于介电材料测试系统的测试装置，包括：

f值确定单元，用于确定所述准光腔的空腔f值和有载f值；

Q值确定单元，用于确定所述准光腔的空腔Q值和有载Q值；

测试结果确定单元，用于基于所述空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值，确定介电材料的介电常数和/或损耗角正切值。

本发明还提供一种介电材料测试平台，包括如上所述的介电材料测试系统，以及如上所述的测试装置。

本发明提供的介电材料测试系统、方法、装置及平台，通过加设动态截止频率滤波器和动态频率读取装置，滤除了准光腔中的非TEM_00q模，使得Q值的测量不受非TEM_00q模的影响，保证了测量所得Q值的真实性，进而保证介电材料测量的可靠性，提高了介电材料测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的介电材料测试系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的介电材料测试系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的测试方法的流程示意图；

图4是本发明提供的介电材料测试装置的结构示意图。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的介电材料测试系统的结构示意图之一，如图1所示，介电材料测试系统包括网络分析仪110、动态截止频率滤波器120、动态频率读取装置130和准光腔140；其中，网络分析仪110输出的电磁波经由动态截止频率滤波器120滤波后，在准光腔140内形成谐振；动态截止频率滤波器120的滤波参数是基于准光腔140内的准光腔谐振频率确定的，准光腔谐振频率是动态频率读取装置130采集的。

具体地，通常介电材料测试系统包含有网络分析仪110和准光腔140，其中网络分析仪110用于生成介电材料测试所需的电磁波并输出，准光腔140与网络分析仪110连接，网络分析仪110输出的电磁波进入准光腔140内，以高斯波束的形式进行传播分布。此处，平凹腔结构的准光腔140是由一块平面镜和一块球面镜组成的微波谐振器，可以用于介电材料的宽谱带复介电常数测量。

考虑到平凹腔结构的准光腔140的工作模式TEM_00q附近会寄生许多非TEM_00q模式，导致测试所得Q值偏离真实值，本发明实施例在现有的系统中增设了动态截止频率滤波器120和动态频率读取装置130，其中动态截止频率滤波器120设置在网络分析仪110与准光腔140的连接路径中；动态频率读取装置130分别与准光腔140、动态截止频率滤波器120、网络分析仪110连接。

在介电材料测试系统的应用过程中，网络分析仪110输出电磁波，并通过动态截止频率滤波器120传输入准光腔140，在准光腔140中建立稳定的振荡。动态频率读取装置130采集准光腔140内的准光腔谐振频率，并将准光腔谐振频率或者由准光腔谐振频率确定的信息传输至动态截止频率滤波器120，以使得动态截止频率滤波器120能够基于准光腔谐振频率或者由准光腔谐振频率确定的信息动态调整自身的截止频率，从而滤除网络分析仪110输出的电磁波中会对Q值测量造成影响的非TEM_00q模，尤其是非TEM_00q模中的高次模，使得通过动态截止频率滤波器120传入准光腔140内部的电磁波中仅保留基模TEM_00q的单峰，提高测试所得Q值的准确性，进而保证介电材料测量的准确性。

本发明实施例提供的测试系统，通过加设动态截止频率滤波器和动态频率读取装置，滤除了准光腔中的非TEM_00q模，使得Q值的测量不受非TEM_00q模的影响，保证了测量所得Q值的真实性，进而保证介电材料测量的可靠性，提高了介电材料测量的精度。

基于上述实施例，动态频率读取装置用于采集准光腔谐振频率，并基于准光腔谐振频率确定基模谐振频率；动态截止频率滤波器用于基于基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，并基于高次模谐振频率对所述电磁波进行滤波。

具体地，动态频率读取装置除了用于采集准光腔谐振频率，还用于基于准光腔谐振频率确定基模谐振频率，此处的基模谐振频率即TEM_00q模式的谐振频率，通常体现为准光腔中各个准光腔谐振频率中较中间位置的单个高峰所在位置的频率。

动态频率读取装置在分析得到基模谐振频率之后，可以将基模谐振频率传输到动态截止频率滤波器。动态截止频率滤波器在接收到基模谐振频率之后，可以基于基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，此处非基模即非TEM_00q模式，非基模的高次模谐振频率即非TEM_00q模式的高次模的谐振频率，通常体现为准光腔中各个准光腔谐振频率中基模谐振频率两侧位置的频率。

动态频率读取装置在确定非基模的高次模谐振频率之后，即可基于非基模的高次模谐振频率配置滤波器的截止频率，从而滤除电磁波中的高次模谐波。

基于上述任一实施例，动态截止频率滤波器包括滤波分析模块和滤波模块；滤波分析模块用于基于基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，并基于高次模谐振频率为滤波模块配置滤波截止频率；滤波模块用于滤除电磁波中高次模产生的谐振峰。

具体地，滤波分析模块可以是动态截止频率滤波器中内置的处理单元，用于实现滤波截止频率相关的计算和配置，以使得动态截止频率滤波器中的滤波模块能够基于配置的滤波截止频率对输入的电磁波执行滤波操作。

其中，滤波分析模块可以基于基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，即确定了需要滤除的频率，并在此基础上确定滤波截止频率，此处的滤波截止频率是配合滤波模块的类型设置的，为滤波模块配置滤波截止频率之后，滤波模块能够滤除输入的电磁波中非基模的高次模产生的谐振峰。

基于上述任一实施例，滤波模块包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器中的至少一种。相应地，滤波截止频率包括低通截止频率、高通截止频率和带通截止频率中的至少一种。

其中，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置，低通滤波器对应的截止频率即低通截止频率，在非基模的高次模谐振频率高于基模谐振频率的情况下，可以选取小于高次模谐振频率且大于基模谐振频率的频率作为低通截止频率进行滤波。

高通滤波器是容许高于截止频率的信号通过，但低于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置，高通滤波器对应的截止频率即高通截止频率，在非基模的高次模谐振频率低于基模谐振频率的情况下，可以选取大于高次模谐振频率且小于基模谐振频率的频率作为高通截止频率进行滤波。

带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的电子滤波设备，带通滤波器对应的两个上下限截止频率即带通截止频率。在即存在高于基模谐振频率的高次模谐振频率，也存在低于基模谐振频率的高次模谐振频率的情况下，可以选取小于高次模谐振频率且大于基模谐振频率的频率作为上限带通截止频率，选取大于高次模谐振频率且小于基模谐振频率的频率作为下限带通截止频率进行滤波。

基于上述任一实施例，动态频率读取装置包括读取模块、读取分析模块和存储模块；读取模块用于采集准光腔谐振频率；读取分析模块用于基于准光腔谐振频率确定基模谐振频率；存储模块用于存储基模谐振频率。

此处，读取模块可以是动态频率读取装置内置的频率传感器，读取模块与读取分析模块连接，读取模块在采集到准光腔谐振频率之后，可以将准光腔谐振频率发送到读取分析模块。读取分析模块可以是动态频率读取装置内置的处理单元，读取分析模块在接收到准光腔谐振频率之后，可以基于准光腔谐振频率分析基模TEM_00q的谐振频率。读取分析模块还与存储模块连接，读取分析模块在确定基模谐振频率之后，可以将基模谐振频率传输至存储模块进行存储。此处，存储模块可以是动态频率读取装置内置的存储器。

此外，动态频率读取装置还可以包括传送模块，传动模块可以读取存储模块中存储的基模谐振频率，并将基模谐振频率传输到动态截止频率滤波器。

基于上述任一实施例，图2是本发明提供的介电材料测试系统的结构示意图之二，如图2所示，介电材料测试系统还包括准光腔控制装置150；准光腔控制装置150用于基于准光腔谐振频率控制待测试的介电材料在准光腔140中的测试位置。

具体地，准光腔控制装置150与准光腔140连接，准光腔控制装置150可以根据准光腔谐振频率控制样品的测试位置，此处的样品即待测试的介电材料。在将待测试的介电材料放置于基于准光腔谐振频率确定的测试位置后，动态频率读取装置130即可采集准光腔谐振频率，从而使得动态截止频率滤波器120能够基于由准光腔谐振频率确定的滤波参数，对网络分析仪输出的电磁波进行滤波。

基于上述任一实施例，图2示出的介电材料测试系统中，网络分析仪110输出电磁波，电磁波经过动态截止频率滤波器120进入准光腔140，在准光腔140内形成高斯光束分布，即腔体内部任一平面所截断的光通量相等。准光腔控制装置150可以根据准光腔谐振频率控制待测试的介电材料的测试位置，在将待测试的介电材料放置于基于准光腔谐振频率确定的测试位置后，动态频率读取装置130即可采集准光腔谐振频率，从而使得动态截止频率滤波器120能够基于由准光腔谐振频率确定的滤波参数，对网络分析仪输出的电磁波进行滤波，从而滤除电磁波中会对Q值测量造成影响的非TEM_00q模，尤其是非TEM_00q模中的高次模，使得通过动态截止频率滤波器120传入准光腔140内部的电磁波中仅保留基模TEM_00q的单峰，提高测试所得Q值的准确性。

基于上述任一实施例，图3是本发明提供的测试方法的流程示意图，如图3所示，该方法是在上述实施例提供的介电材料测试系统上实现的，该方法包括：

步骤310，确定准光腔的空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值；

步骤320，基于空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值，确定介电材料的介电常数和/或损耗角正切值。

具体地，步骤310中，准光腔的空腔f值、空腔Q值，是指在介电材料测试系统中的准光腔中未放置待测试的介电材料的情况下，系统中的动态频率读取装置采集了准光腔在空腔情况下的准光腔谐振频率，动态截止频率滤波器基于由空腔情况下的准光腔谐振频率确定的滤波参数滤除电磁波中高次模产生的谐振峰之后，对准光腔进行f值、Q值测量得到的。

相应地，准光腔的有载f值、有载Q值，是指在介电材料测试系统中的准光腔中放置了待测试的介电材料的情况下，系统中的动态频率读取装置采集了准光腔在有载情况下的准光腔谐振频率，动态截止频率滤波器基于由有载情况下的准光腔谐振频率确定的滤波参数滤除电磁波中高次模产生的谐振峰之后，对准光腔进行有载f值、Q值测量得到的。

在得到准光腔的空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值之后，即可基于准光腔求解的特征方程，计算待测试的介电材料的介电常数和/或损耗角正切值，从而实现介电材料测试。

本发明实施例提供的方法，基于介电材料测试系统测量真实可靠的空腔Q值和有载Q值，进而实现高精度的介电材料测试。

基于上述任一实施例，图4是本发明提供的介电材料测试装置的结构示意图，图4中的测试装置是基于介电材料测试系统实现的，测试装置包括f值确定单元410、Q值确定单元420和测试结果确定单元430；

其中，Q值确定单元410用于确定所述准光腔的空腔Q值和有载Q值；f值确定单元420用于确定所述准光腔的空腔f值和有载f值。

测试结果确定单元430用于基于所述空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值，确定介电材料的介电常数和/或损耗角正切值。

本发明实施例提供的装置，基于介电材料测试系统测量真实可靠的空腔Q值和有载Q值，进而实现高精度的介电材料测试。

基于上述任一实施例，介电材料测试平台包括上述实施例提供的介电材料测试系统，以及基于上述各实施例提供的介电材料测试样品台的介电材料测试装置。

其中，介电材料测试系统为介电材料测试提供测试场所和设备，介电材料测试装置用于基于系统实现介电材料的自动化测试。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种介电材料测试系统，其特征在于，包括网络分析仪、动态截止频率滤波器、动态频率读取装置和准光腔；

其中，所述网络分析仪输出的电磁波经由所述动态截止频率滤波器滤波后，在所述准光腔内形成谐振；

所述动态截止频率滤波器的滤波参数是基于所述准光腔内的准光腔谐振频率确定的，所述准光腔谐振频率是所述动态频率读取装置采集的；

所述动态频率读取装置用于采集所述准光腔谐振频率，并基于所述准光腔谐振频率确定基模谐振频率；

所述动态截止频率滤波器用于基于所述基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，并基于所述高次模谐振频率对所述电磁波进行滤波。

2.根据权利要求1所述的介电材料测试系统，其特征在于，所述动态截止频率滤波器包括滤波分析模块和滤波模块；

所述滤波分析模块用于基于所述基模谐振频率确定非基模的高次模谐振频率，并基于所述高次模谐振频率为滤波模块配置滤波截止频率；

所述滤波模块用于滤除所述电磁波中高次模产生的谐振峰。

3.根据权利要求2所述的介电材料测试系统，其特征在于，所述滤波模块包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的介电材料测试系统，其特征在于，所述滤波截止频率包括低通截止频率、高通截止频率和带通截止频率中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的介电材料测试系统，其特征在于，所述动态频率读取装置包括读取模块、读取分析模块和存储模块；

所述读取模块用于采集所述准光腔谐振频率；

所述读取分析模块用于基于所述准光腔谐振频率确定基模谐振频率；

所述存储模块用于存储所述基模谐振频率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的介电材料测试系统，其特征在于，还包括准光腔控制装置；

所述准光腔控制装置用于基于所述准光腔谐振频率控制待测试的介电材料在所述准光腔中的测试位置。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的介电材料测试系统的测试方法，其特征在于，包括：

确定所述准光腔的空腔f值和有载f值；

确定所述准光腔的空腔Q值和有载Q值；

基于所述空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值，确定介电材料的介电常数和/或损耗角正切值。

8.一种基于权利要求1至6任一项所述的介电材料测试系统的测试装置，其特征在于，包括：

f值确定单元，用于确定所述准光腔的空腔f值和有载f值；

Q值确定单元，用于确定所述准光腔的空腔Q值和有载Q值；

测试结果确定单元，用于基于所述空腔f值、有载f值、空腔Q值、有载Q值，确定介电材料的介电常数和/或损耗角正切值。

9.一种介电材料测试平台，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的介电材料测试系统，以及如权利要求8所述的测试装置。

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