CN112505448B - 一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台 - Google Patents

一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波测试技术领域，公开了一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台。该平台包括测试夹具、夹具固定及xy轴移动基座、夹具高度调整基座、附加场部件高度可调基座、流体注入/流出孔道、电场输入探针机构、样品拉伸机构、亥姆霍兹线圈、亥姆霍兹线圈旋转结构。本发明装置中的磁场由亥姆霍兹线圈产生、电场由外部电源与探针提供、力场由机械夹臂结构提供、温度场由加热装置与液氮系统提供。本发明通过结合多个外场装置提供了薄膜材料在单一/复合外场条件下的微波性能测试平台，同时多个平台间相互独立，方便根据测试要求进行外场选择，薄膜材料也可以直接进行测试，无须进行传统的制样操作。

Description

一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台
技术领域
本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种可以使用多种外场进行辅助测试的薄膜样品微波性能测试平台。
背景技术
伴随着微波材料的发展，薄膜材料由于其可以很轻易地完成微波材料“薄、轻”的要求而受到了广泛的关注，但是其微波响应特性却很难得到。
当前的微波材料测试方法主要分为同轴法、波导法以及自由空间法。其中，同轴法和波导法受限于对应方法对于测试材料的形状以及尺寸的要求，薄膜材料往往需要制备成同心圆结构以及长方体块状结构才能进行相关的微波响应性能测试。但是，上述测试方法破坏了薄膜的完整性，其所测试得到的相关微波响应性能也不能准确地评估薄膜材料的真实微波响应特性。此外，自由空间法在测试时要求的样品尺寸过大，也不能很好的测试薄膜样品的微波响应性能。因此，需要应用新的测试方式对于薄膜材料进行整体测试，以求得到处于实际应用状态下的薄膜样品的相关电磁响应性能。
此外，由于薄膜材料的厚度很小，其材料状态很容易受到外部附加场的影响而发生相对应的改变。因此，研究薄膜材料在不同外部附加场作用下的相关微波响应性能有利于开发人为可控的微小型电磁波器件，这对于电子信息行业以及微电子器件领域有着十分重要的意义。对于上述薄膜材料的测试器件，在ZL201510240008.X和ZL201610297281.0中，发明人公布了一种基于微带器件和短路微带线法的测试系统，但是其相比较于本方法不能使用多个外场耦合对材料进行测试，其只能在单一外场或无外场的条件下对材料进行测试；在ZL201410012235.2中，用短路微带线法公布了一种磁性薄膜复磁导率的测试方法，同样地，在该发明中仅使用单一外场作为磁导率测试的辅助方式，其不具有多种外场耦合协同作用的能力。但是，对于薄膜材料，在多种复合场下对其进行测试可以更为准确地分析其相关性能。因此，设计一种具有多种外部场耦合协同的测试系统变得十分必要。
发明内容
本发明目的在于提供一种可以附加多种外场相互作用进行薄膜材料微波响应特性测试的综合测试平台系统，在测试时薄膜材料不需要制备成其他结构就可以进行测量，测试频率为0.5-26GHz。
本发明的技术方案如下：
一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，包括：测试夹具、夹具固定及xy轴移动基座、夹具高度调整基座、附加场部件高度可调基座、流体注入/流出孔道、电场输入探针机构、样品拉伸机构、亥姆霍兹线圈、亥姆霍兹线圈旋转结构；所述夹具固定及xy轴移动基座、夹具高度调整基座、附加场部件高度可调基座均具有相同的中心轴，测试夹具在测试时处于亥姆霍兹线圈内环的中轴线上，所述测试夹具固定在夹具固定及xy轴移动基座上，夹具固定及xy轴移动基座与夹具高度调整基座间刚性连接，夹具高度调整基座与附加场部件高度可调基座间相互独立，附加场部件包括电场输入探针机构、样品拉伸机构放置在附加场部件高度可调基座上并可自由移动位置；
所述夹具高度调整基座内部具有孔道结构即流体注入/流出孔道，方便外部具有不同温度的液体注入，改变测量时的温度场参数。
进一步地，所述测试夹具为两种，其中短路微带线型由基座A、短路微带线、微波场连接头、温度探测装置放置孔A以及空气腔组成；共平面波导型由微波场连接头、共平面波导、基座B以及温度探测装置放置孔B组成。
进一步地，所述测试夹具的微波场连接头通过线缆与矢量网络分析仪测试端口相连接；两个电场输入探针机构与外部电场源相连，探针连接于样品两侧形成回路；两个样品拉伸机构与样品两端相连，将样品拉伸至目标拉伸量后固定；夹具高度调整基座通入目标温度液体，将温度测量装置置于温度探测装置放置孔A或温度探测装置放置孔B中，控制高度调整基座的温度；亥姆霍兹线圈调整至目标角度并通电，按照需要调整磁场大小。
进一步地，所述电场输入探针机构、样品拉伸机构、亥姆霍兹线圈均为成对对称使用。
进一步地，所述测试夹具可调位置范围为x轴±5cm，y轴±5cm，z轴±5cm。
进一步地，所述附加场部件高度可调基座可调范围为z轴±10cm，亥姆霍兹线圈可调角度为±45°。
进一步地，上述附加场可以根据实际需要进行组合，夹具根据实际需要进行更换。
本发明的有益效果为：
本发明提供了薄膜材料电磁响应性能的综合测试平台，可以较为直接地测量薄膜材料的电磁响应性能。同时，通过组合不同的外部附加场，可以得到薄膜材料在不同外场作用下的相关电磁性能。本发明测试平台具有集成性高、泛用性广、维护方便等特性。
附图说明
图1为本发明薄膜材料多场耦合型微波性能测试平台示意图。
图中：101测试夹具；102夹具固定及xy轴移动基座；103夹具高度调整基座；104附加场部件高度可调基座；105流体注入/流出孔道；106电场输入探针机构；107样品拉伸机构；108亥姆霍兹线圈；109亥姆霍兹线圈旋转结构。
图2为103夹具高度调整基座内部液体流动孔道示意图。
图3为短路微带线型样品基座示意图，(a)整体图，(b)剖面图；
图中：201基座A；202短路微带线；203微波场连接头A；204温度探测装置放置孔A；205空气腔。
图4为共平面波导型样品基座示意图，(a)整体图，(b)剖面图；
图中：301微波场连接头B；302共平面波导；303基座B；304温度探测装置放置孔B。
图5为使用短路微带线型样品基座在不同磁场下测试薄膜样品的复磁导率实部测试结果。
图6为使用短路微带线型样品基座在不同磁场下测试薄膜样品的复磁导率虚部测试结果。
图7为使用共平面波导型夹具基座在外电场作用下测试薄膜样品的散射参数测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明技术方案。需说明，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，其中图示为示意性质，并不用于限定本发明的范围。
本发明薄膜材料多场耦合型微波性能测试平台示意图如图1所示，包括测试夹具101、夹具固定及xy轴移动基座102、夹具高度调整基座103、附加场部件高度可调基座104、流体注入/流出孔道105、电场输入探针机构106、样品拉伸机构107、亥姆霍兹线圈108、亥姆霍兹线圈旋转结构109。所述夹具固定及xy轴移动基座102、夹具高度调整基座103、附加场部件高度可调基座104具有相同的中心轴，测试夹具101在测试时处于亥姆霍兹线圈108内环的中轴线上，所述测试夹具101固定在夹具固定及xy轴移动基座102上，夹具固定及xy轴移动基座102与夹具高度调整基座103间刚性连接，夹具高度调整基座103与附加场部件高度可调基座104间相互独立，附加场部件电场输入探针机构106和样品拉伸机构107放置在附加场部件高度可调基座104上并可自由移动位置。
进一步地，所述电场输入探针机构106、样品拉伸机构107、亥姆霍兹线圈108均为成对对称使用。
进一步地，所述夹具高度调整基座103内部具有孔道结构以及开孔105，方便外部具有不同温度的液体注入，改变测量时的温度场参数，其示意图如图2所示。
进一步地，所述测试夹具为两种，短路微带线型夹具如图3所示，由基座A201、短路微带线202、微波场连接头A203、温度探测装置放置孔A204以及空气腔205组成；共平面波导型夹具如图4所示，由微波场连接头B301、共平面波导302、基座B303以及温度探测装置放置孔B304组成。
进一步地，所述样品夹具101的微波场连接头通过线缆与矢量网络分析仪测试端口相连接；两个电场输入探针机构106与外部电场源相连，探针连接于样品两侧形成回路；两个样品拉伸机构107与样品两端相连，将样品拉伸至目标拉伸量后固定；样品平台103通入目标温度液体，将温度测量装置置于204或304中，控制样品台的温度；亥姆霍兹线圈108调整至目标角度并通电，按照需要调整磁场大小。
进一步地，上述附加场可以根据实际需要进行组合，夹具根据实际需要进行更换。
进一步地，上述附加场结构在选择调试结束后，需要将相关附加附件进行固定，防止结构移动。
实施例1
采用短路微带线型夹具，将夹具固定于固定底座102上。此后，对矢量网络分析仪接口进行校准操作，并将样品夹具和矢量网络分析仪相连接。此后，调整亥姆霍兹线圈108的位置，角度设置为0°，调整样品夹具的位置，使其处于亥姆霍兹线圈内部环的中轴线上，同时，将高斯计固定在亥姆霍兹线圈上，进行相关磁场强度测试。
首先，测试空气腔的相关电磁参数；此后，将薄膜样品放置在固定夹具上进行测试，根据系统要求调整磁场强度进行测试，其中磁场值分别为0、11、21、32、42、53Oe，分别在上述磁场强度下测试薄膜材料的电磁参数。
图5和图6为实施例中采用短路微带线型夹具测试的薄膜材料外加不同强度磁场的电磁参数结果。
实施例2
采用共平面波导型夹具，将夹具固定于夹具固定及xy轴移动基座102上。此后，对矢量网络分析仪接口进行校准操作，并将样品夹具和矢量网络分析仪相连接。此后，调整电场输入探针机构106的位置，将探针放置于材料的两侧，输出电流设置为10mA。此后，对样品的电磁响应特性进行了测试，其相关测试参数如图7所示。
实施例3
采用短路微带线型夹具或共平面波导型夹具，将夹具固定于夹具固定及xy轴移动基座102上。此后，对矢量网络分析仪接口进行校准操作，并将样品夹具和矢量网络分析仪相连接。此后，将流体注入/流出孔道105与外部液体流通设备相连接，并在温度测试位点，温度探测装置放置孔A 204或温度探测装置放置孔B304中放入温度测试探针。此后，通过外部液体控制设备控制液体流动并通过外部设备改变液体温度，通过温度探测装置放置孔A204或温度探测装置放置孔B 304监控夹具温度，并同时测试电磁性能。
实施例4
采用短路微带线型夹具或共平面波导型夹具，将夹具固定于夹具固定及xy轴移动基座102上。此后，对矢量网络分析仪接口进行校准操作，并将样品夹具和矢量网络分析仪相连接。此后，将测试样品的两端与样品拉伸机构107相连接，通过改变样品拉伸机构107装置的距离，改变样品的拉伸长度。在达到所需的拉伸量后固定样品拉伸机构107，并对材料此时的电磁性能进行测量。
实施例5
采用短路微带线型夹具或共平面波导型夹具，将夹具固定于夹具固定及xy轴移动基座102上。此后，对矢量网络分析仪接口进行校准操作，并将样品夹具和矢量网络分析仪相连接。此后，调整亥姆霍兹线圈108的位置，角度设置为0°，调整样品夹具的位置，使其处于亥姆霍兹线圈内部环的中轴线上，同时，将高斯计固定在亥姆霍兹线圈上，进行相关磁场强度测试；此后，调整电场探针106的位置，将探针放置于材料的两侧，设置目标输出电流。进行如下测试：1.固定电流值，调整磁场的大小，测试样品在同一电场，不同磁场下的电磁性能；2.固定电流值、磁场的大小，调节磁场的位置分别为10°、20°、30°和40°，试在同一电场、磁场下，不同的磁场夹角对样品的电磁性能的影响；3.固定磁场值、夹角设置为0°，调整电场的大小，测试样品在同一磁场，不同电场下的电磁性能；4.固定磁场值，调节磁场的位置分别为10°、20°、30°和40°，同时在不同磁场夹角下调节电场大小，测试样品在同一磁场，不同电场以及磁场夹角下的电磁性能。

Claims (6)

1.一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，其特征在于，包括：测试夹具(101)、夹具固定及xy轴移动基座(102)、夹具高度调整基座(103)、附加场部件高度可调基座(104)、流体注入/流出孔道(105)、电场输入探针机构(106)、样品拉伸机构(107)、亥姆霍兹线圈(108)、亥姆霍兹线圈旋转结构(109)；所述夹具固定及xy轴移动基座(102)、夹具高度调整基座(103)、附加场部件高度可调基座(104)均具有相同的中心轴，测试夹具(101)在测试时处于亥姆霍兹线圈(108)内环的中轴线上，所述测试夹具(101)固定在夹具固定及xy轴移动基座(102)上，夹具固定及xy轴移动基座(102)与夹具高度调整基座(103)间刚性连接，夹具高度调整基座(103)与附加场部件高度可调基座(104)间相互独立，附加场部件包括电场输入探针机构(106)、样品拉伸机构(107)放置在附加场部件高度可调基座(104)上并可自由移动位置；
所述夹具高度调整基座(103)内部具有孔道结构即流体注入/流出孔道(105)，方便外部具有不同温度的液体注入，改变测量时的温度场参数；
所述平台测试频率为0.5-26GHz。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，其特征在于，所述测试夹具(101)为两种，其中短路微带线型由基座A(201)、短路微带线(202)、微波场连接头A(203)、温度探测装置放置孔A(204)以及空气腔(205)组成；共平面波导型由微波场连接头B(301)、共平面波导(302)、基座B(303)以及温度探测装置放置孔B(304)组成。
3.根据权利要求2所述的一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，其特征在于，所述测试夹具(101)的微波场连接头通过线缆与矢量网络分析仪测试端口相连接；两个电场输入探针机构(106)与外部电场源相连，探针连接于样品两侧形成回路；两个样品拉伸机构(107)与样品两端相连，将样品拉伸至目标拉伸量后固定；夹具高度调整基座(103)通入目标温度液体，将温度测量装置置于温度探测装置放置孔A(204)或温度探测装置放置孔B(304)中，控制夹具高度调整基座(103)的温度；亥姆霍兹线圈(108)调整至目标角度并通电，按照需要调整磁场大小。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，其特征在于，所述电场输入探针机构(106)、样品拉伸机构(107)、亥姆霍兹线圈(108)均为成对对称使用。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，其特征在于，所述测试夹具(101)可调位置范围为x轴±5cm，y轴±5cm，z轴±5cm。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜材料的多场耦合型微波性能测试平台，其特征在于，所述附加场部件高度可调基座(104)可调范围为z轴±10cm，亥姆霍兹线圈可调角度为±45°。
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