CN113655287A - 平面介质介电常数宽频带测试结构及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构及其测试方法，包括圆柱腔和两个磁耦合环；圆柱腔的下部分底面中心设有第一矩形槽，其上部分顶面中心设有第二矩形槽，两个矩形槽共同构成用于放置平面介质的矩形安装槽，圆柱腔下部分的侧壁上开有两个对称的输入通孔，安装上两个磁耦合环后，两个磁耦合环和两个输入通孔构成两个输入端口，该两个输入端口能够对圆柱腔中相应的模式进行激励；圆柱腔上部分顶面开有多条分布在径向上的缝，用于对杂模进行干扰，使杂模无法激励，每条缝的两侧均形成有长条形槽，用于放置吸波材料，使能量辐射到圆柱腔外。本发明可有效测量低频段宽带，计算结果准确。

Description

平面介质介电常数宽频带测试结构及其测试方法
技术领域
本发明涉及材料测量的技术领域，尤其是指一种基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构及其测试方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，各种各样的微波介质材料广泛地运用于射频微波工程中。其中，对微波介质材料的相关特性参数如介电常数以及损耗角正切的准确测量是近年来学者们所关注的研究课题。由于被测材料形状不同、测试频段不同、物理状态不同等，会依据材料的性质选择不同的测试方法进行测量。
对现有的材料特性测量的设计方法进行调查了解，具体如下：
Chul-Ki Kim等人对矩形腔微扰公式进行修正，更加精准地计算样品的有效体积以及场的分布，提出了无需重新定位进行介电常数以及磁导率的测量，获得更加准确的材料特性参数。
N.K.Tiwari等人利用新的馈电拓扑结构提高Q值，对高态模下的微扰公式进行了修正，实现了用SIW腔的TE105，TE107,TE109,TE1011这4个模式在10GHz～20GHz介电常数及损耗角正切的测量。
总的来说，如今有很多测量相对介电常数以及损耗角正切的方法，主要分为了谐振法以及非谐振法，但这些方法都尚不够完善。谐振法主要测量中低损耗的材料，准确度较高，但是只能单频测量，测试带宽有限；非谐振法主要适合宽带测量，但测量的准确度不高。因此，设计一款对平面介质介电常数宽频带测试的圆柱腔具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，可有效测量低频段宽带，计算结果准确。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，所述测试结构包括圆柱腔和两个磁耦合环；所述圆柱腔由上、下两部分拼装而成，所述圆柱腔的下部分底面中心设有第一矩形槽，其上部分顶面中心设有第二矩形槽，两个矩形槽共同构成用于放置平面介质的矩形安装槽，测试时平面介质插入矩形安装槽中固定；所述圆柱腔的下部分的侧壁上开有两个对称的输入通孔，该两个输入通孔对应两个磁耦合环，即一个输入通孔供一个磁耦合环安装，安装上两个磁耦合环后，该两个磁耦合环和两个输入通孔构成两个输入端口，通过该两个输入端口能够对圆柱腔中相应的模式进行激励；所述圆柱腔的上部分顶面开有多条分布在径向上的缝，用于对杂模进行干扰，使杂模无法激励，且每条缝的两侧均形成有长条形槽，用于放置吸波材料，使能量辐射到圆柱腔外。
进一步，所述磁耦合环是用铜丝将内导体和外导体相连，构成环状。
进一步，所述缝以第二矩形槽为中心点，在圆柱腔的上部分顶面呈环形阵列分布。
进一步，所述输入端口为50欧姆的阻抗匹配端口。
进一步，所述平面介质的介电常数小于10。
进一步，所述测试结构的测量频段在0.7GHz～10GHz。
本发明也提供了上述基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构的测试方法，包括以下步骤：
1)在空腔状态下利用磁耦合环进行激励，获取传输系数S21，从S21中得到空腔谐振频率f0和空腔品质因数Q0；
2)在矩形安装槽中插入平面介质，插入平面介质后，从更新的传输系数S21中得到微扰后的谐振频率f1和微扰后的品质因数Q1，具体如下：
依据微扰原理，由于插入平面介质后，对腔内场扰动带来谐振频率和品质因数的变化，从而计算得到平面介质的介电常数和损耗角正切；
微扰的公式为：
Figure BDA0003197236260000031
Δε＝ε2-ε1
Δμ＝μ2-μ1
式中：f0和f1分别是插入平面介质前后的谐振频率，ε1和ε2分别是圆柱腔的介电常数和平面介质的介电常数，μ1和μ2分别是圆柱腔的磁导率和平面介质的磁导率，E1和H1是圆柱腔中原始的电场和磁场，E2和H2是插入平面介质后圆柱腔中的电场和磁场，
Figure BDA0003197236260000032
和
Figure BDA0003197236260000033
分别是E1和H1的共轭，VC和VS分别是圆柱腔的体积和平面介质的体积，Δε为平面介质的介电常数ε2与圆柱腔的介电常数ε1的差值，Δμ为平面介质的磁导率μ2与圆柱腔的磁导率μ1的差值；
计算平面介质的介电常数和损耗角正切的公式为：
Figure BDA0003197236260000034
Figure BDA0003197236260000035
Figure BDA0003197236260000036
式中：ε′为介电常数的实部，ε″为介电常数的虚部，tan为损耗角正切，xom是第一类零阶贝塞尔函数J0(x)＝0的第m个根，J1(xom)为xom对应的第一类一阶贝塞尔函数J1(x)的值，f0和Q0是圆柱腔原始的谐振频率和品质因数，f1和Q1是插入平面介质后圆柱腔的谐振频率和品质因数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的测试频段在0.7～10GHz，利用一腔多模的原理，可以测量频点小于1GHz，实现低频段宽带测量。
2、本发明测量对象为平面介质，对样品形状的要求更为简单，并且在工程中的测量需求更加丰富。
3、本发明相比于非谐振法的介电常数测量，计算结果更加准确，更加可靠。
附图说明
图1为平面介质介电常数宽频带测试结构的分解图。
图2为圆柱腔的下部分结构示意图。
图3为圆柱腔的上部分结构示意图。
图4为磁耦合环的结构示意图。
图5为在0.861GHz的场分布仿真结果图。
图6为在0.857GHz～0.865GHz空腔和插入平面介质后的传输系数S21仿真结果图。
图7为在3.098GHz的场分布仿真结果图。
图8为在3.08GHz～3.11GHz空腔和插入平面介质后的传输系数S21仿真结果图。
图9为在9.8418GHz的场分布仿真结果图。
图10为在9.82GHz～9.855GHz空腔和插入平面介质后的传输系数S21仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1至图4所示，本实施例提供了一种基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，测量频段在0.7GHz～10GHz，其包括圆柱腔和两个磁耦合环2，其中所述磁耦合环2是用铜丝将内导体21和外导体22相连，构成环状；所述圆柱腔由上、下两部分拼装而成，所述圆柱腔的下部分11底面中心设有第一矩形槽1101，其上部分12顶面中心设有第二矩形槽1201，两个矩形槽共同构成用于放置平面介质3的矩形安装槽，测试时平面介质3插入矩形安装槽中固定；所述圆柱腔的下部分11的侧壁上开有两个对称的输入通孔1102，该两个输入通孔1102对应两个磁耦合环2，即一个输入通孔1102供一个磁耦合环2安装，通过螺钉安装上两个磁耦合环2后，该两个磁耦合环2和两个输入通孔1102构成两个输入端口(具体为50欧姆的阻抗匹配端口)，通过该两个输入端口能够对圆柱腔中相应的模式进行激励；所述圆柱腔的上部分12顶面开有多条分布在径向上的缝1202，用于对杂模进行干扰，使杂模无法激励，所述缝1202以第二矩形槽1201为中心点，在圆柱腔的上部分12顶面呈环形阵列分布，且每条缝1202的两侧均形成有长条形槽1203，用于放置吸波材料，使能量辐射到圆柱腔外。
在本实施例中，所述圆柱腔的材料为铝；所述圆柱腔的下部分11高度为18.5mm，内半径为135mm，下壁厚4mm，周围壁厚5mm；所述磁耦合环的内导体21高度为12mm，外导体22高度为4mm，中间介质层为5mm，利用铜丝将内导体和外导体相连；所述第一、二矩形槽1101、1201高度为4mm，横截面宽为1.5mm，长为10mm；所述圆柱腔的上部分12高度为4.5mm，内半径为135mm，上壁厚4mm，周围壁厚5mm；所述缝1202一共8条，缝与缝夹角为45°，缝的宽度为0.5mm，长度为90mm，深度为0.5mm；所述长条形槽1203宽度为6mm，长度为90mm，槽两侧为直径为6mm的半圆柱，深度为3.5mm；所述平面介质3宽度为1.5mm，长度为10mm，高度大于或等于23mm，介电常数小于10。
下面为本实施例上述基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构的测试方法，包括以下步骤：
1)在空腔状态下利用磁耦合环进行激励，获取传输系数S21，从S21中得到原始谐振频率f0和原始品质因数Q0；
2)插入宽度为1.5mm、长度为10mm、高度大于或等于23mm的平面介质，插入平面介质后，从更新的传输系数S21中得到微扰后的谐振频率f1和微扰后的品质因数Q1，具体如下：
依据微扰原理，由于插入平面介质后，对腔内场扰动带来谐振频率和品质因数的变化，从而计算得到平面介质的介电常数和损耗角正切；
微扰的公式为：
Figure BDA0003197236260000061
Δε＝ε2-ε1
Δμ＝μ2-μ1
式中：f0和f1分别是插入平面介质前后的谐振频率，ε1和ε2分别是圆柱腔的介电常数和平面介质的介电常数，μ1和μ2分别是圆柱腔的磁导率和平面介质的磁导率，E1和H1是圆柱腔中原始的电场和磁场，E2和H2是插入平面介质后圆柱腔中的电场和磁场，
Figure BDA0003197236260000062
和
Figure BDA0003197236260000063
分别是E1和H1的共轭，VC和VS分别是圆柱腔的体积和平面介质的体积，Δε为平面介质的介电常数ε2与圆柱腔的介电常数ε1的差值，Δμ为平面介质的磁导率μ2与圆柱腔的磁导率μ1的差值；
计算平面介质的介电常数和损耗角正切的公式为：
Figure BDA0003197236260000071
Figure BDA0003197236260000072
Figure BDA0003197236260000073
式中：ε′为介电常数的实部，ε″为介电常数的虚部，tan为损耗角正切，xom是第一类零阶贝塞尔函数J0(x)＝0的第m个根，J1(xom)为xom对应的第一类一阶贝塞尔函数J1(x)的值，f0和Q0是圆柱腔原始的谐振频率和品质因数，f1和Q1是插入平面介质后圆柱腔的谐振频率和品质因数。
下面为采用上述测试结构和方法在0.857GHz～0.865GHz介电常数和损耗角正切的测量。当测量空腔时，在0.861GHz有一个谐振点，参见图5所示，为在0.861GHz的场分布仿真结果图。从图中可以看出，被激励的模式为TM010。
参见图6所示，为在0.857GHz～0.865GHz空腔和插入平面介质后的传输系数S21仿真结果图。图中显示了插入平面介质后，谐振频率向左偏移。从S21仿真结果图中可以获得空腔的谐振频率f0和品质因数Q0，插入平面介质后的谐振频率f1和品质因数Q1，将这些参数代入计算公式中得到平面介质的介电常数和损耗角正切。
下面为采用上述测试结构和方法在3.08GHz～3.11GHz介电常数和损耗角正切的测量。当测量空腔时，在3.098GHz有一个谐振点，参见图7所示，为在3.098GHz的场分布仿真结果图。从图中可以看出，被激励的模式为TM030。
参见图8所示，为在3.08GHz～3.11GHz空腔和插入平面介质后的传输系数S21仿真结果图。图中显示了插入平面介质后，谐振频率向左偏移。从S21仿真结果图中可以获得空腔的谐振频率f0和品质因数Q0，插入平面介质后的谐振频率f1和品质因数Q1，将这些参数代入计算公式中得到平面介质的介电常数和损耗角正切。
下面为采用上述测试结构和方法在9.82GHz～9.855GHz介电常数和损耗角正切的测量。当测量空腔时，在9.8418GHz有一个谐振点，参见图9所示，为在9.8418GHz的场分布仿真结果图。从图中可以看出，被激励的模式为TM090。
参见图10所示，为在9.82GHz～9.855GHz空腔和插入平面介质后的传输系数S21仿真结果图。图中显示了插入平面介质后，谐振频率向左偏移。从S21仿真结果图中可以获得空腔的谐振频率f0和品质因数Q0，插入平面介质后的谐振频率f1和品质因数Q1，将这些参数代入计算公式中得到平面介质的介电常数和损耗角正切。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，其特征在于：所述测试结构包括圆柱腔和两个磁耦合环；所述圆柱腔由上、下两部分拼装而成，所述圆柱腔的下部分底面中心设有第一矩形槽，其上部分顶面中心设有第二矩形槽，两个矩形槽共同构成用于放置平面介质的矩形安装槽，测试时平面介质插入矩形安装槽中固定；所述圆柱腔的下部分的侧壁上开有两个对称的输入通孔，该两个输入通孔对应两个磁耦合环，即一个输入通孔供一个磁耦合环安装，安装上两个磁耦合环后，该两个磁耦合环和两个输入通孔构成两个输入端口，通过该两个输入端口能够对圆柱腔中相应的模式进行激励；所述圆柱腔的上部分顶面开有多条分布在径向上的缝，用于对杂模进行干扰，使杂模无法激励，且每条缝的两侧均形成有长条形槽，用于放置吸波材料，使能量辐射到圆柱腔外。
2.根据权利要求1所述的基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，其特征在于：所述磁耦合环是用铜丝将内导体和外导体相连，构成环状。
3.根据权利要求1所述的基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，其特征在于：所述缝以第二矩形槽为中心点，在圆柱腔的上部分顶面呈环形阵列分布。
4.根据权利要求1所述的基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，其特征在于：所述输入端口为50欧姆的阻抗匹配端口。
5.根据权利要求1所述的基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，其特征在于：所述平面介质的介电常数小于10。
6.根据权利要求1所述的基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构，其特征在于：所述测试结构的测量频段在0.7GHz～10GHz。
7.权利要求1至6任意一项所述基于圆柱腔的平面介质介电常数宽频带测试结构的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在空腔状态下利用磁耦合环进行激励，获取传输系数S21，从S21中得到空腔谐振频率f0和空腔品质因数Q0；
2)在矩形安装槽中插入平面介质，插入平面介质后，从更新的传输系数S21中得到微扰后的谐振频率f1和微扰后的品质因数Q1，具体如下：
依据微扰原理，由于插入平面介质后，对腔内场扰动带来谐振频率和品质因数的变化，从而计算得到平面介质的介电常数和损耗角正切；
微扰的公式为：
Figure FDA0003197236250000021
Δε＝ε2-ε1
Δμ＝μ2-μ1
式中：f0和f1分别是插入平面介质前后的谐振频率，ε1和ε2分别是圆柱腔的介电常数和平面介质的介电常数，μ1和μ2分别是圆柱腔的磁导率和平面介质的磁导率，E1和H1是圆柱腔中原始的电场和磁场，E2和H2是插入平面介质后圆柱腔中的电场和磁场，
Figure FDA0003197236250000022
和
Figure FDA0003197236250000023
分别是E1和H1的共轭，VC和VS分别是圆柱腔的体积和平面介质的体积，Δε为平面介质的介电常数ε2与圆柱腔的介电常数ε1的差值，Δμ为平面介质的磁导率μ2与圆柱腔的磁导率μ1的差值；
计算平面介质的介电常数和损耗角正切的公式为：
Figure FDA0003197236250000024
Figure FDA0003197236250000025
Figure FDA0003197236250000026
式中：ε′为介电常数的实部，ε″为介电常数的虚部，tan为损耗角正切，xom是第一类零阶贝塞尔函数J0(x)＝0的第m个根，J1(xom)为xom对应的第一类一阶贝塞尔函数J1(x)的值，f0和Q0是圆柱腔原始的谐振频率和品质因数，f1和Q1是插入平面介质后圆柱腔的谐振频率和品质因数。
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