CN113125858A - 一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，属于微波、毫米波材料电磁参数测试技术领域。本发明的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置中，腔体的设计是在规则谐振腔内部加载对称的金属双脊，达到对电场能量的压缩，使得整个谐振腔的能量在中心汇聚，形成高灵敏的单纤维测试通道，利用位函数和微扰法，实现对单纤维介电性能的准确测试。现有的测试手段几乎无法对高低损耗单纤维介电性能进行直接测试，本发明提出的测试装置和方法弥补了单纤维测试方法的不足，具有更高的可靠性和准确度，且设计加工成本较低。

Description

一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置及方法
技术领域
本发明属于微波、毫米波材料电磁参数测试技术领域，具体涉及一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置及方法。
背景技术
纤维材料广泛应用于航空航天、武器装备、雷达等重要领域，是功能性复合材料制备的关键原材料。单纤维介电性能的准确性、均匀性和一致性，是研究纤维复合材料性能演变机理以及质量把控的重要保障。在微波毫米波频段内，现有单纤维介电性能的间接测试方法，已无法满足单纤维性能分析的需求，而关于单纤维介电性能直接测试的方法和装置，几乎没有报道，然而测试需求仍然迫切。
关于纤维材料整体介电性能的测试方法非常多，传输反射法、谐振腔法、平面电路法等，这些方法所测的材料可以是纤维复合材料、薄膜材料、混合材料等，最终所测的都是纤维材料的等效介电常数，并非单纤维材料本身。为了实现对单纤维介电性能的反演，混合法则、介电混合模型等方法被提出，实现对单纤维介电性能的理论反算。然而理论反算介电的准确性，很大程度取决于理论反算模型的准确性，由此造成计算结果的准确性和可靠性低。另外，传统谐振腔结构尺寸远大于单纤维尺寸，无法满足单纤维测试灵敏度要求，而小尺寸传输线结构又达不到测试精度要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置及方法，实现单纤维介电性能的高灵敏度准确测试。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，包括谐振腔上盖板1-1、谐振腔下盖板1-2、具有中空结构的腔体2、SMA接头形式的耦合激励装置3-1和SMA接头形式的耦合接收装置3-2，谐振腔上盖板1-1和谐振腔下盖板1-2安装在腔体2上，构成谐振腔；
所述腔体2的第一侧面和第二侧面均具有第一端面和第二端面，所述第一侧面与所述第二侧面相对设置，所述第二端面高于所述第一端面，谐振腔盖板位于所述第一端面上；
所述腔体2的中空结构中具有对称设置的两个金属脊2-6，所述金属脊2-6由腔体的内侧壁向中空结构中心延伸，且两个金属脊之间具有间隙，所述间隙作为单纤维材料的测试通道2-7；
所述谐振腔上盖板1-1上具有上侧样品孔1-3，所述谐振腔下盖板1-2上具有下侧样品孔1-4，所述单纤维材料通过上侧样品孔1-3，穿过测试通道2-7，由下侧样品孔1-4穿出；
所述耦合激励装置3-1通过所述腔体2第三侧面的第一侧壁孔2-4伸入所述中空结构中，所述耦合接收装置3-2通过所述腔体2第四侧面的第二侧壁孔2-5伸入所述中空结构中，所述第三侧面和所述第四侧面相对设置，所述腔体2的第一侧面和所述腔体2的第三侧面垂直设置。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述腔体2的第一端面内侧具有第一金属凸台2-2，第一端面外侧具有第二金属凸台2-3，谐振腔上下盖板通过所述第一金属凸台2-2和所述第二金属凸台2-3与所述腔体2接触。
采用上述进一步方案的有益效果是：在保证良好电接触的同时尽可能减小面接触，。
进一步的，所述腔体2的内侧壁2-1形状为圆弧形。
进一步的，所述腔体2的圆弧形内侧壁2-1的半径为20mm，高度为20mm。
进一步的，所述耦合激励装置3-1和所述耦合接收装置3-2为磁耦合环形式，且环所在平面与所述测试通道2-7垂直。
进一步的，所述金属脊2-6的形状为梯形。
进一步的，所述腔体2的内侧壁2-1、所述谐振腔上盖板1-1和所述谐振腔下盖板1-2均进行表面镀金处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高谐振腔的品质因数和测试灵敏度。
进一步的，所述谐振腔上盖板1-1和所述谐振腔下盖板1-2通过圆周分布的螺丝固定在所述腔体2上。
进一步的，所述测试通道2-7的宽度大于等于0.4mm。
进一步的，所述第一金属凸台2-2的宽度为0.5mm，所述第二金属凸台2-3的宽度为1mm，所述第一金属凸台2-2和第二金属凸台2-3的高度均为0.5mm。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种单纤维介电常数的测试方法，采用上述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置实现。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在谐振腔内增加双脊结构，可使电场能量压缩，并在中心位置汇聚，为单纤维测试提供了有效的测试通道，进而可实现单纤维介电常数的准确测试。
(2)利用本发明的测试装置和方法，可实现对高低损耗单纤维介电常数的测试，可弥补单纤维介电常数无法直接获取的技术不足。
(3)本发明的测试装置设计加工成本低，根据测试频率要求，设计相应的谐振腔尺寸，可满足微波毫米波频段的单纤维介电测试。
(4)本发明提出的测试装置不仅仅可应用于单纤维材料的介电测试，同时可拓展应用于纤维等材料的均匀性检测。
附图说明
图1为本发明实施例的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置中腔体的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置中腔体的俯视图；
图4为本发明实施例的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置对应的测试模型图；
图5为双脊谐振腔中心面处的电场分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-1、谐振腔上盖板、1-2、谐振腔下盖板、1-3、上侧样品孔、1-4、下侧样品孔、2、腔体、2-1、腔体的内侧壁、2-2、第一金属凸台、2-3、第二金属凸台、2-4、第一侧壁孔、2-5、第二侧壁孔，2-6、金属脊、2-7、测试通道，3-1、耦合激励装置、3-2、耦合接收装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-3所示，本发明第一实施例提供的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，包括谐振腔上盖板1-1、谐振腔下盖板1-2、具有中空结构的腔体2、SMA接头形式的耦合激励装置3-1和SMA接头形式的耦合接收装置3-2，谐振腔上盖板1-1和谐振腔下盖板1-2安装在腔体2上，构成谐振腔；
所述腔体2的第一侧面和第二侧面均具有第一端面和第二端面，所述第一侧面与所述第二侧面相对设置，所述第二端面高于所述第一端面，谐振腔盖板位于所述第一端面上；
所述腔体2的中空结构中具有对称设置的两个金属脊2-6，所述金属脊2-6由腔体的内侧壁向中空结构中心延伸，且两个金属脊之间具有间隙，所述间隙作为单纤维材料的测试通道2-7；
所述谐振腔上盖板1-1上具有上侧样品孔1-3，所述谐振腔下盖板1-2上具有下侧样品孔1-4，所述单纤维材料通过上侧样品孔1-3，穿过测试通道2-7，由下侧样品孔1-4穿出；
所述耦合激励装置3-1通过所述腔体2第三侧面的第一侧壁孔2-4伸入所述中空结构中，所述耦合接收装置3-2通过所述腔体2第四侧面的第二侧壁孔2-5伸入所述中空结构中，所述第三侧面和所述第四侧面相对设置，所述腔体2的第一侧面和所述腔体2的第三侧面垂直设置。
可选地，所述腔体2的第一端面内侧具有第一金属凸台2-2，第一端面外侧具有第二金属凸台2-3，谐振腔上下盖板通过所述第一金属凸台2-2和所述第二金属凸台2-3与所述腔体2接触。
上述实施例在保证良好电接触的同时尽可能减小面接触，。
可选地，所述腔体2的内侧壁2-1形状为圆弧形。
可选地，所述腔体2的圆弧形内侧壁2-1的半径为20mm，高度为20mm。
可选地，所述耦合激励装置3-1和所述耦合接收装置3-2为磁耦合环形式，且环所在平面与所述测试通道2-7垂直。
上述实施例中，耦合激励装置3-1用于谐振模式的能量激励，耦合接收装置3-2用于谐振模式的能量接收，磁耦合环形式可根据谐振腔内的磁场分布设计，此外，若耦合量太弱或太强，可通过改变耦合环的大小或插入腔内的距离等方式调整耦合量。
可选地，所述金属脊2-6的形状为梯形。
上述实施例考虑到实际的加工工艺限制，既可达到实际加工要求，又保证了双脊顶端的窄宽度。
可选地，所述腔体2的内侧壁2-1、所述谐振腔上盖板1-1和所述谐振腔下盖板1-2均进行表面镀金处理。
上述实施例可提高谐振腔的品质因数和测试灵敏度。
可选地，所述谐振腔上盖板1-1和所述谐振腔下盖板1-2通过圆周分布的螺丝固定在所述腔体2上。
可选地，所述测试通道2-7的宽度大于等于0.4mm。
可选地，所述第一金属凸台2-2的宽度为0.5mm，所述第二金属凸台2-3的宽度为1mm，所述第一金属凸台2-2和第二金属凸台2-3的高度均为0.5mm。
本发明第二实施例提供的一种单纤维介电常数的测试方法，采用上述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置实现。
上述实施例中，对双脊谐振腔进行理论建模，如图4所示，将圆柱腔划分为两个区域(I和II)，其中I是双脊之间的电场压缩区域，即测试通道区域，II是腔体的中空区域中其他区域，由于双脊的存在，该区域内
Figure BDA0003028334390000067
方向存在不均匀性，即存在金属边界条件。对于谐振模式存在左右对称性，因此可认为区域II的左右两侧关于磁壁对称，由此整个圆柱腔的电场分析简化为单侧。场分布的计算需要求解出亥姆霍兹方程解，根据径向模式匹配理论，对区域I和II的标量位函数进行模式展开：
Figure BDA0003028334390000061
其中Jn是第一类n阶Bessel函数，Hm是第m阶Bessel函数，Ai和Bi分别是待求解的模式系数，N1和N2分别是区域I和II的模式系数，kc是截止波数，β1和β2是区域I和区域II的传播常数，R2是腔体中空区域的半径，α是金属脊2-6的角度。
根据标量位函数，可推导出区域I和II的场表达式：
Figure BDA0003028334390000062
其中
Figure BDA0003028334390000063
是矢量磁场，
Figure BDA0003028334390000064
是矢量电场，ω是角频率，μ是磁导率，ε是介电常数，φk是标量位函数(k＝1或2)，
Figure BDA0003028334390000065
是z方向单位矢量。
谐振腔微扰法理论是通过对比有无单纤维的谐振频率和品质因数变化来计算样品的介电常数，原理公式如下：
Figure BDA0003028334390000066
其中f0是空腔的谐振频率，fs是加载样品后的谐振频率，εr是相对复介电常数，V是腔体体积，Vs是样品体积，ε0是真空介电常数，μ0是真空磁导率。通过测试有无单纤维时的谐振频率f0和fs，便可理论计算出单纤维的介电常数εr。
对腔体的内侧壁半径20mm和高度20mm的双脊圆柱腔的电场分布，进行了HFSS仿真，仿真的电场分布如图5所示，与规则圆柱腔TM0n0模式的电场分布相比，电场能量明显压缩，且在中心聚集。因此测试通道内的能量在整个谐振腔内的占比增大，当单纤维插入测试通道内，对谐振腔的谐振频率和品质因数造成偏移，并且该偏移量是足够检测的，即满足测试所需的灵敏度要求。根据偏移量和理论公式(1)至(3)，即可计算出单纤维材料的介电常数。
本发明的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置中，腔体的设计是在规则谐振腔内部加载对称的金属双脊，达到对电场能量的压缩，使得整个谐振腔的能量在中心汇聚，形成高灵敏的单纤维测试通道，利用位函数和微扰法，实现对单纤维介电性能的准确测试。现有的测试手段几乎无法对高低损耗单纤维介电性能进行直接测试，本发明提出的测试装置和方法弥补了单纤维测试方法的不足，具有更高的可靠性和准确度，且设计加工成本较低。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，包括谐振腔上盖板(1-1)、谐振腔下盖板(1-2)、具有中空结构的腔体(2)、SMA接头形式的耦合激励装置(3-1)和SMA接头形式的耦合接收装置(3-2)，谐振腔上盖板(1-1)和谐振腔下盖板(1-2)安装在腔体(2)上，构成谐振腔；
所述腔体(2)的第一侧面和第二侧面均具有第一端面和第二端面，所述第一侧面与所述第二侧面相对设置，所述第二端面高于所述第一端面，谐振腔盖板位于所述第一端面上；
所述腔体(2)的中空结构中具有对称设置的两个金属脊(2-6)，所述金属脊(2-6)由腔体的内侧壁向中空结构中心延伸，且两个金属脊之间具有所述间隙，所述间隙作为单纤维材料的测试通道(2-7)；
所述谐振腔上盖板(1-1)上具有上侧样品孔(1-3)，所述谐振腔下盖板(1-2)上具有下侧样品孔(1-4)，所述单纤维材料通过上侧样品孔(1-3)，穿过测试通道(2-7)，由下侧样品孔(1-4)穿出；
所述耦合激励装置(3-1)通过所述腔体(2)第三侧面的第一侧壁孔(2-4)伸入所述中空结构中，所述耦合接收装置(3-2)通过所述腔体(2)第四侧面的第二侧壁孔(2-5)伸入所述中空结构中，所述第三侧面和所述第四侧面相对设置，所述腔体(2)的第一侧面和所述腔体(2)的第三侧面垂直设置。
2.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述腔体(2)的第一端面内侧具有第一金属凸台(2-2)，第一端面外侧具有第二金属凸台(2-3)，谐振腔上下盖板通过所述第一金属凸台(2-2)和所述第二金属凸台(2-3)与所述腔体(2)接触。
3.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述腔体(2)的内侧壁(2-1)形状为圆弧形。
4.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述耦合激励装置(3-1)和所述耦合接收装置(3-2)为磁耦合环形式，且环所在平面与所述测试通道(2-7)垂直。
5.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述金属脊(2-6)的形状为梯形。
6.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述腔体(2)的内侧壁(2-1)、所述谐振腔上盖板(1-1)和所述谐振腔下盖板(1-2)均进行表面镀金处理。
7.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述谐振腔上盖板(1-1)和所述谐振腔下盖板(1-2)通过圆周分布的螺丝固定在所述腔体(2)上。
8.根据权利要求1所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置，其特征在于，所述测试通道(2-7)的宽度大于等于0.4mm。
9.一种单纤维介电常数的测试方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的一种具有双脊结构的单纤维介电常数测试装置实现。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113655287A (zh) * 2021-08-05 2021-11-16 华南理工大学 平面介质介电常数宽频带测试结构及其测试方法

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