CN112946327B - 高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具 - Google Patents

高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，包括微带线本体和用于固定所述微带线本体的固定装置；所述固定装置包括底座和微带线夹板，所述微带线夹板配合所述底座对所述微带线本体进行固定。本发明为抑制微带线本体的色散现象，在微带线本体尺寸设计时利用色散判定式，消除色散对微带线阻抗的影响，同时通过固定装置限制高温环境下微带线本体受热变形，避免微带线本体在高温环境下受热膨胀发生起翘、改变空气隔热层的厚度，进而影响多层覆盖介质时微带线的阻抗，最终影响测试结果；从上述两方面提高了测量精度。

Description

高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具
技术领域
本发明涉及微波测试技术领域，尤其涉及一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具。
背景技术
电磁波传输介质是微波遥感和电磁波传输理论中重要的物理参数，强烈影响物质吸收电磁波的能力,并影响着电磁波能量的反射率。
随着科学技术的发展，微波介质材料已经广泛用于电磁屏蔽、微波通信等各个领域。这些领域中，通常会存在高温高频环境，高温高频环境很可能意味着材料电磁参数的改变，那么就需要对此环境下的微波介质材料的介电常数进行准确的测试。
当频率达到10GHz以上的高频时，普通微带线的阻抗会随着频率增加而变化，即出现色散现象，从而影响测量精度。同时，普通结构的微带线夹具在进行高温测试时会出现温度过高而烧毁微带线的情况；另外，高温情况下物体的受热膨胀特性，使微带线受热可能会出现起翘、变形等问题，影响测试精度。
发明内容
为了克服上述问题或者部分解决上述问题，本发明提供一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，利用色散判定式对微带线本体中的导带和介质层进行设计，并通过固定装置限制高温环境下微带线本体受热变形，避免微带线本体在高温环境下受热膨胀发生起翘，并最终影响测试结果。
本发明提供一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，包括微带线本体和用于固定所述微带线本体的固定装置；
其中，所述微带线本体包括彼此叠置的接地板、介质层和导带；
其中，所述固定装置包括底座和微带线夹板，所述微带线夹板配合所述底座对所述微带线本体进行固定。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述微带线夹板设置有两组，两组所述微带线夹板对称设置在所述底座两侧。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述微带线夹板上设有样品支架，待测样品置于所述样品支架上；
其中，所述样品支架由所述微带线夹板的顶面向上突出，使得在所述待测样品、所述样品支架及所述微带线夹板和所述微带线本体的顶面之间形成空气隔热层。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述样品支架与待测样品之间为点接触或线接触。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述样品支架为刃型结构，并与所述微带线夹板一体成型。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述样品支架为拧钉，且所述拧钉可拆卸连接于所述微带线夹板的顶面。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述底座中设有冷却结构；所述冷却结构为贯穿所述底座的水冷槽，且所述水冷槽中容纳有可流动的冷却液；所述固定装置还包括盖板，所述盖板与所述底座相连用于固定所述冷却结构。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，所述固定装置还包括微带线压板，所述微带线压板的形状与所述底座的形状相匹配。
根据本发明提供的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，确定所述微带线本体中导带宽度和介质层高度的尺寸后，要通过色散判定式(1)计算所述微带线本体发生不产生色散效应的最大频率fT，即：
Figure BDA0002990960330000031
其中：
Figure BDA0002990960330000032
式中：fT—最高工作频率；
W—微带线导带宽度；
h—微带线介质层高度；
εr—微带线介质层介电常数；
εe—微带线相对介电常数；
λ0—真空中波长。
通过式(1)对所述微带线本体尺寸进行色散判定，若实际测量最高频率频率小于fT，色散效应就可忽略。
本发明提供的一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，通过在微带线法测试微波材料复介电常数的微带线夹具的基础上，增设固定装置，通过固定装置限制高温环境下微带线本体受热变形，避免微带线本体在高温环境下受热膨胀发生起翘、改变空气隔热层的厚度，进而影响多层覆盖介质时微带线的阻抗，最终影响测试结果。
另外，本发明为抑制微带线本体的色散现象，在微带线本体尺寸设计时利用色散判定式，消除了色散对微带线阻抗的影响，从而确保微带线本体阻抗的稳定性，从上述两方面提高测量精度。
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是本发明提供的微带线夹具的组成结构示意图；
图2是本发明提供的微带线夹具的局部放大示意图；
图3是本发明提供的微带线夹具中起翘改变空气隔热层的对比示意图；
图4A至图4C是本发明提供的微带线夹具中微带线夹板的三视图，其中图4A为主视图；图4B为左视图；图4C为俯视图；
图5A至图5C是本发明提供的微带线夹具中底座的三视图；其中图5A为主视图；图5B为左视图；图5C为俯视图；且主视图中省略金属屏蔽墙；
图6是本发明中微带线本体阻抗随空气隔热层厚度变化的关系图；
附图标记：
10：微带线本体；     101：接地板；        102：介质层；
103：导带；          20：固定装置；       201：底座；
202：微带线夹板；    203：样品支架；      204：冷却结构；
205：微带线压板；    206：盖板；          30：空气隔热层；
40：待测样品；       50：金属屏蔽墙。
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。
下面结合图1至图6，对本发明的实施例进行描述。应理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何限定。
作为本发明的一个实施例，本实施例提供一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，参考图2和图3，为本发明实施例一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具的结构示意图，包括微带线本体10和用于固定所述微带线本体10的固定装置20；其中，微带线本体10包括接地板101、介质层102和导带103。
其中，固定装置20包括底座201和微带线夹板202，所述微带线夹板202配合所述底座201对微带线本体10进行固定。在微带线夹板202和底座201的两侧面均有螺孔分布，微带线夹板202和底座201通过螺钉固定。
如图1至图5C所示，可以理解为，本实施例是在微带线法测试微波材料复介电常数的微带线夹具的基础上，增设固定装置20，通过固定装置20限制高温环境下微带线本体10受热变形，避免微带线本体10在高温环境下受热膨胀发生起翘、改变空气隔热层30的厚度，进而影响多层覆盖介质时微带线的阻抗，影响测试结果。
更进一步的，如图2和图3所示，在微带线夹板202的两端设置有高出微带线夹板202顶面的样品支架203，样品支架203用于盛放待测样品40，在待测样品40与样品支架203之间形成空气隔热层30。避免高温待测样品40与微带线本体10直接接触，损坏微带线本体10。其中，空气隔热层30的成分可以为空气介质。
另外，样品支架203的高度决定空气隔热层30的厚度。当样品之架的高度增加，相应的空气隔热层30的厚度增加。样品支架203的高度决定了空气隔热层30的厚度，进而影响多层覆盖介质时微带线的阻抗。
其中，为了减少高温待测样品40与样品支架203的接触面积，避免传导散热，样品支架203与待测样品40之间为点接触或线接触。优选为样品支架203的结构为刃型结构，可以与微带线夹板202一体成型，也可以通过螺钉固定在微带线夹板202上；另外样品支架203还可以为拧钉，在微带线夹板202上端面预留连接孔，拧钉拧设在该连接孔内。
进而为了避免高温状态下对测试夹具的损坏，在底座201中还设有冷却结构204。具体的，冷却结构204为贯穿底座201的水冷槽，且在水冷槽中设有可流动的冷却液，将待测微波材料传导至微带线夹具的热量散去。
其中，固定装置20还还包括微带线压板205，微带线压板205的形状与底座201的形状相匹配。在夹具装配过程中，微带线压板205与底座201配合使用，使微带线本体10沿底座201的轮廓一次性弯折成型，确保微带线本体10与底座201紧密贴合。
其中，固定装置20还包括盖板206，盖板206固定在底座201的下方，与底座201配合对水冷槽进行固定。
针对高温状态下的微带线本体10设计，可以对微带线的各个分层分别进行设计。
在接地板101上，以沉积的形式沉积上厚度均匀平整的介质层102，介质层102可以选择氧化硼、氧化铁、蓝宝石或云母片等耐高温性较好的材料。在介质层102的中央位置以光刻的形式光刻一条微带线导带103，导带103的材质一般选择金，或者导带103采用磁控溅射的方法进行镀敷，并在镀敷的基础上覆盖一层金以防止氧化。
针对理论计算和仿真模拟对固定装置20中各个部件的尺寸进行具体的设计。
从微带线夹板202的正视图方向，将微带线夹板202的各个边分别记为a边、b边、c边；样品支架203的高度记为e；
从底座201的正视图方向，将底座201的各个边分别记为a1边、b1边、f1边；
其中，微带线夹板202的a边高度与底座201的a1边高度的高度差(a-a1)应在0～0.127mm之间；保证测试过程中，微带线本体10的上表面与微带线夹板202的c边处在同一个水平面，进而确保空气隔热层30的厚度均匀。
其中，微带线夹板202的b边宽度与底座201的b1边宽度的宽度差(b-b1)应在0～0.1mm之间；保证微带线本体10在微带线夹板202和底座201(2)的共同夹持下保持平整状态。
其中，微带线夹板202的c边的宽度应满足：c≥5mm；c边的宽度决定了样品支架203与微带线本体10之间的距离，为了避免样品支架203与微带线本体10距离过近导致样品支架203的位置在微带线本体10所辐射电磁场的范围之内进行干扰，影响测试结果，进而通过理论计算和仿真模拟，将c边的宽度设置为大于等于5mm。
其中，样品支架203的高度e的高度范围为0～0.1mm；保证空气隔热层30的厚度一定，进而确定多层介质覆盖下微带线阻抗的稳定性。经过多次理论计算和仿真模拟，得到了如图6所示的微带线本体10阻抗随空气隔热层30厚度变化的关系图，再根据微带线与馈源阻抗匹配50Ω的条件，确定样品支架203高度e为0.1mm。
其中，为了保证微带线夹板202可以对微带线本体10进行精确弯折，微带线压板205的内腔宽度(记为f)与底座201上f1边的关系应满足(f＝f1)，微带线压板205的高度(记为m)与底座201的a1边的关系应满足(m＝a1)。
本实施例提供的一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具在装配过程中，先将微带线本体10平放于底座201的上方，确保两者中线重合，然后用微带线压板205压住微带线本体10，使微带线本体10沿底座201的轮廓一次性弯折成型，取出微带线压板205，并将微带线压板205旋转180°再压住微带线本体10；将两个微带线夹板202分别向底座201的两侧靠近直至接触，最后用螺钉将微带线夹板202固定在底座201两侧，使微带线夹板202配合底座201将微带线本体10贴合并固定在底座201上，取掉微带线压板205。
另外，根据样品支架203与微带线夹板202之间的连接方式，确定样品支架203的装配顺序；比如说样品支架203采用刃型结构，且与微带线夹板202一体成型，那么在夹具装配好之后，只需要将待测样品40放置于样品支架203上即可进行高温测试。
如果样品支架203与样品为点接触，样品支架203采用拧钉，那么在夹具装配好之后，微带线夹板202的上端面预留有拧钉的安装孔，依次拧上拧钉，再将待测样品40放置于样品支架203(即拧钉)上即可进行高温测试。一般设置为拧钉时，选用四个，一侧两个。
作为本发明的一个实施例，如图5A至图5C所示，固定装置20还包括金属屏蔽墙50，金属屏蔽墙50固定连接于底座201的两端，且垂直于微带线本体10。例如可以通过螺钉把金属屏蔽墙50与底座201相连。
本发明通过固定装置20将微带线本体10固定，将微带线本体10放置在底座201上，在底座201两侧用微带线夹板202进行夹持，对微带线本体10进行固定，能够有效防止微带线本体10在高温状态下受热形变、发生起翘，导致空气隔热层30厚度的改变，从而影响测试结果。
在微带线本体10的尺寸设计中，对微带线本体10的导带宽度和介质层高度进行确定后，需通过色散判定式(2)进行色散现象的判定，若实际测量最高频率频率小于式(2)中的fT，色散效应即可忽略，进而保证微带线本体的阻抗稳定，保证测量精度。
可以理解为，微带线本体10的尺寸可以从以下方面考虑：首先是阻抗匹配，相当于矢量网络分析仪这个仪器有阻抗，微带线自身也有阻抗，这个阻抗相等，都是50Ω，此时可以达到较好的阻抗匹配，降低反射系数；其次是使用的是变分法准静态情况，在设计微带线本体10尺寸的时候，满足微带线传输过程中传输准TEM模；再者色散现象随着测试频率的增加，电磁波在微带线中传播速度随之变化的现象，传播速度的变化具体表现为微带线阻抗和微带线相对介电常数的变化。即：
色散现象判定：
针对测试频段1-40GHz，最短工作波长为7.5mm。此高频段的微带线介质材料应选用低介电常数的介质材料，本实施例选用Rogers5880相对介电常数为2.2。
首先确定介质层厚度的尺寸为h＝0.127mm，计算得到h的范围后，根据主模传输和阻抗匹配得到导带宽度范围w≤2.44mm。
经过电磁仿真模拟后确定微带线尺寸为w＝0.28mm，h＝0.127mm。此时，随着测试频率升高，微带线的阻抗会出现变化，即出现色散现象。通过实际测试观察到：当测试频率在10GHz以上时，微带线会发生色散现象，从而影响多层介质覆盖微带线阻抗的求解。
在确定微带线尺寸后仍需对此尺寸进行色散判定，根据式(1)色散判定式对微带线尺寸进行色散判定：
Figure BDA0002990960330000101
其中：
Figure BDA0002990960330000102
式中：fT—最高工作频率；
W—微带线导带宽度；
h—微带线介质层高度；
εr—微带线介质层介电常数；
εe—微带线相对介电常数；
λ0—真空中波长。
计算发现本实施例中的微带线尺寸w＝0.28mm，h＝0.127mm的最高正常工作频率fT＝477GHz，远远大于最大测试频率40GHz，故本实施例中的微带线在1～40GHz的工作频率内不会发生色散效应，即微带线本体的阻抗不会根据测量频率的升高而变化。从而保证了本实施例中微带线本体阻抗的稳定性，保证了测量的精度。
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 (7)

1.一种高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，包括微带线本体和用于固定所述微带线本体的固定装置；
其中，所述微带线本体包括彼此叠置的接地板、介质层和导带，所述介质层和所述导带的尺寸通过色散判定式确定；
所述色散判定式如下：
Figure FDA0003903991340000011
其中：
Figure FDA0003903991340000012
式中：fT—最高工作频率；
W—微带线导带宽度；
h—微带线介质层高度；
εr—微带线介质层介电常数；
εe—微带线相对介电常数；
λ0—真空中波长；
其中，所述固定装置包括底座和微带线夹板，所述微带线夹板配合所述底座对所述微带线本体进行固定，所述微带线夹板上设有样品支架，待测样品置于所述样品支架上；
其中，所述样品支架由所述微带线夹板的顶面向上突出，使得在所述待测样品、所述样品支架及所述微带线夹板和所述微带线本体的顶面之间形成空气隔热层。
2.根据权利要求1所述的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，所述微带线夹板设置有两组，两组所述微带线夹板对称设置在所述底座两侧。
3.根据权利要求1所述的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，所述样品支架与待测样品之间为点接触或线接触。
4.根据权利要求3所述的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，所述样品支架为刃型结构，并与所述微带线夹板一体成型。
5.根据权利要求1所述的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，所述样品支架为拧钉，且所述拧钉可拆卸连接于所述微带线夹板的顶面。
6.根据权利要求1所述的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，所述底座中设有冷却结构；
其中，所述冷却结构为贯穿所述底座的水冷槽，且所述水冷槽中容纳有可流动的冷却液。
7.根据权利要求1至6任一项所述的高温下测微波材料复介电常数的微带线夹具，其特征在于，所述固定装置还包括微带线压板，所述微带线压板的形状与所述底座的形状相匹配。
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