CN114002508A - 一种用于材料电磁介电特性测试的结构 - Google Patents
一种用于材料电磁介电特性测试的结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114002508A CN114002508A CN202111258765.1A CN202111258765A CN114002508A CN 114002508 A CN114002508 A CN 114002508A CN 202111258765 A CN202111258765 A CN 202111258765A CN 114002508 A CN114002508 A CN 114002508A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resonant cavity
- cylindrical
- archimedes
- mode
- coupler
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
本发明涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种用于材料电磁介电特性测试的结构，包括圆柱形波导及阿基米德螺线耦合器，将所述圆柱形波导两端密闭形成一圆柱谐振腔，所述阿基米德螺线耦合器位于圆柱谐振腔的上部中心；所述阿基米德螺线耦合器包括连接段及两根阿基米德螺线，所述阿基米德螺线位于圆柱谐振腔内并与连接段的下端连接，所述连接段的上端贯穿圆柱谐振腔的上端盖，并通过N型接头与同轴电缆相连，同轴电缆的另一端连接有网络分析仪；两根阿基米德螺线处于同一水平面，且左右对称，大小相等。在本发明中，阿基米德螺旋线耦合器恰好能够激励起TE011模式，并能够抑制简并TM111模式，耦合度高。
Description
技术领域
本发明涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种用于材料电磁介电特性测试的结构。
背景技术
材料介电特性在微波、毫米波频段上的测量是电子科学技术和基础物理研究中不可或缺的重要部分。新材料的不断涌现，迫切地需要精确测量其介电特性，这在理论研究和实际工程中都具有重要的意义。微波/毫米波频段是目前应用最为广泛的电磁频段。微波毫米波段，主要有谐振法和网络参数法。谐振法又分为谐振腔微扰法、高Q腔法、介质谐振器法、分离式圆柱腔法等。网络参数法则分为传输反射法、自由空间法、终端短路法等。
在谐振法研究通常是指采用谐振腔研究，通过与外部电路相连，谐振腔成为完整微波回路系统一个关键部件。经由一个或数个端口谐振腔与外电路连通，外部传输线路将信号源信号引入谐振腔，在腔内激励起测量所需模式的电磁振荡。将外电路与谐振腔相连接的端口部分即是耦合器或激励机构。
耦合器必须保证能在腔中产生起测量要求的谐振模式，同时希望能尽量避免其他干扰模式的产生。依照激励方式的类别，有直接耦合、探针耦合、小孔耦合、环耦合等几种。在谐振腔系统的设计中应尽量避免干扰模的影响，合理设计耦合装置。设计的基本原则是模式力线匹配，调整耦合器的位置与结构，使所需激励模式的场线与干扰模式的场线方向不同，使干扰模式难以被激励，对干扰模式而言，只能形成微弱耦合；将耦合器放置在测量所需模式场强最大，而干扰模式场强最小之处。
如何将电磁信号馈入谐振腔，同时又抑制干扰模式的作用，是复介电常数测试系统设计制造中的核心关键问题。耦合环、耦合孔的大小与工作波长密切相关，其位置及大小需专门的仿真优化。为了进一步抑制干扰模式尤其是简并干扰模式引入的辅助结构，无论是缝隙结构，还是槽结构都对设计和加工提出了较高的要求，会导致测试系统成本升高。同时，辅助结构的引入不可避免扰动腔体腔体的工作模式，这额外的误差会影响测试系统的测量精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于材料电磁介电特性测试的结构。
本发明采用以下技术方案：一种用于材料电磁介电特性测试的结构，包括圆柱形波导及阿基米德螺线耦合器，将所述圆柱形波导两端密闭形成一圆柱谐振腔，所述阿基米德螺线耦合器位于圆柱谐振腔的上部中心；
所述阿基米德螺线耦合器包括连接段及两根阿基米德螺线，所述阿基米德螺线位于圆柱谐振腔内并与连接段的下端连接，所述连接段的上端贯穿圆柱谐振腔的上端盖，并通过N型接头与同轴电缆相连，同轴电缆的另一端连接有网络分析仪；
两根阿基米德螺线处于同一水平面，且左右对称、大小相等。
优选的，所述阿基米德螺线耦合器为铜材质的一体结构。
本发明至少具有以下有益效果之一：
在本发明中，网络分析仪提供电磁信号，阿基米德螺线耦合器会产生表面电流，并在馈口分左右两路流至左右两个对偶螺线上，在螺线半环上面将产生大小相等方向相反的表面电流，根据安培定律此种电流分布亦需要同样大小相等而方向相反的磁场分布，而这正与TE011模式磁场力线形态相合，从而将电磁信号耦合进入圆柱谐振腔，并恰好激励起TE011模式，耦合度高；本发明在无需辅助结构的协助下同时能够抑制干扰模式，尤其是简并TM111模式，保证圆柱谐振腔内能够激励起稳定的TE011模式，正是利用TE011模式磁场的对称性质，而TM111模式在横截面非对称，从而提高对圆柱谐振腔内材料介电特性测试的精确性；本发明结构简单，未采用辅助结构既能有效抑制简并干扰模式，保证了材料电磁介电特性测试系统的测量精度。
附图说明
图1为本发明优选实施例的模型结构示意图；
图2为本发明优选实施例的模型结构俯面示意图；
图3为本发明中阿基米德螺线的配置示意图；
图4为本发明中圆柱谐振腔的仿真电场分布俯面图；
图5为本发明中圆柱谐振腔的仿真磁场分布剖视图；
图6为本发明中耦合器的表面电流分布俯视图；
图7为本发明中耦合器的表面电流分布放大示意图；
图8为本发明的仿真反射系数图；
图9为本发明第二实施例的仿真反射系数图；
图10为本发明第三实施例的仿真反射系数图；
图11为本发明第四实施例的仿真反射系数图；
图12为本发明第五实施例的仿真反射系数图；
图13为本发明中圆柱谐振腔的结构示意图。
附图标记说明：
10圆柱形波导、11圆柱谐振腔、20阿基米德螺线耦合器、21连接段、22阿基米德螺线
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
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”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。
参照图1至图2，本发明的优选实施例，一种用于材料电磁介电特性测试的结构，包括圆柱形波导10及阿基米德螺线耦合器20，将圆柱形波导10两端密闭形成一圆柱谐振腔11，阿基米德螺线耦合器20位于圆柱谐振腔11的上部中心；
阿基米德螺线耦合器20包括连接段21及两根阿基米德螺线22，阿基米德螺线22位于圆柱谐振腔11内并与连接段21的下端连接，连接段21的上端贯穿圆柱谐振腔11的上端盖，并通过N型接头与同轴电缆相连，同轴电缆的另一端连接有网络分析仪；
两根阿基米德螺线22处于同一水平面，且左右对称、大小相等。
在本发明中，网络分析仪提供电磁信号，阿基米德螺线耦合器20会产生表面电流，并在馈口分左右两路流至左右两个对偶螺线上，在螺线半环上面将产生大小相等方向相反的表面电流，根据安培定律此种电流分布亦需要同样大小相等而方向相反的磁场分布，而这正与TE011模式磁场力线形态相合，从而将电磁信号耦合进入圆柱谐振腔11，并恰好激励起TE011模式，耦合度高；本发明在无需辅助结构的协助下同时能够抑制干扰模式，尤其是简并TM111模式，保证圆柱谐振腔11内能够激励起稳定的TE011模式，正是利用TE011模式磁场的对称性质，而TM111模式在横截面非对称，从而提高对圆柱谐振腔11内材料介电特性测试的精确性；本发明结构简单，未采用辅助结构既能有效抑制简并干扰模式，保证了材料电磁介电特性测试系统的测量精度。
本发明中，圆柱谐振腔11内放置有待测试材料，测试材料为薄圆状且位于阿基米德螺线耦合器20的正下方。
作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：
阿基米德螺线耦合器20为铜材质的一体结构，一体成型能够保证耦合器的结构稳定，铜材质具有优越的传导特性。
本发明以CST电磁仿真软件建立电磁模型，如图1-图2所示，并通过仿真计算来验证本发明的技术效果，图4给出电场分布图，图5给出磁场分布图，图6、图7给出耦合器表面电流分布，其仿真方法及步骤已为本领域技术人员所熟知，故在此不另作详述。仿真最终结果得到反射系数S11图，S11为端口反射系数，当匹配良好时，基本无反射，说明微波信号有效馈入圆柱谐振腔体。
图8为仿真的反射系数S11图，可以看出S11的值无限近似于0，谐振腔基本无反射，说明微波信号有效馈入圆柱谐振腔体，阿基米德螺线耦合器20与圆柱谐振腔11的耦合度高。
当电磁信号波长变化时，圆柱谐振腔11模型尺寸通过近似的按同样比例变化，使本发明可以工作在较宽的频带范围；因而在只需通过活塞，改变腔体高度，无需更换耦合结构，就能实现一定频带范围内对材料介电常数的测试；图9为谐振腔体高度为68mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，图10为谐振腔体高度为73mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，图11为谐振腔体高度为78mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，图12为谐振腔体高度为83mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，从图9-图12可以看出，在一定的带宽内都保证了显著的主峰谐振，在主模式附近没有干扰模式的出现。
如图13所示，一个高度为d半径为a圆柱谐振腔，将圆柱形波导前后两端进行密闭而形成；圆柱形波导横向场为驻波状态，而纵向场为行波状态，将圆柱形波导两端短路引起反射，反射波与入射波叠加形成驻波场，TEmnp模式与TMmnp模式是圆柱谐振腔的两种基本振荡模式，其中m、n和p分别表示场分量沿沿圆周、半径和腔长度方向分布的驻波数。
在圆柱谐振腔的众多模式中TE011模式尤为特别，它的电磁场分布有以下特点：(1)电场只有Eφ分量，即电场强度φ向分量，磁场在腔体纵向壁只有Hz分量，即磁场强度z向分量，而在腔体两端面附近只有Hr分量，即磁场强度r向分量，因此腔体只有
方向(见图13坐标系)管壁电流而无z向(见图13坐标系)的电流，没有电流流过侧壁和端面的连接处；(2)TE011腔的损耗很小，可以做成品质因数很高的谐振腔，是微波系统测试介电特性中谐振腔常用的模式。
在TE011测试系统中，务必除去干扰模式TM111。TM111属于简并干扰模，与TE011模式谐振频率完全相同，但场结构不一样，不仅影响谐振腔品质因数，还由于谐振频率串扰造成很大的测试误差。
因此，我们耦合器的设计基于TE011模式电磁场的分析：TE011电场只有
分量，电力线首尾相接，也即是所谓的圆电模。封闭的电场线，与腔壁脱离接触，自由电荷不存在在腔壁上。磁场没有
向分量，磁场在腔体纵向壁只有Hz分量，而在腔体两端面附近只有Hr分量，因此腔体只有
方向管壁电流而无z向的电流，而在端盖上则没有径向电流，没有电流流过侧壁和端面的连接处。TE011模式的磁场在横截面上是径向的且圆周对称，故无论对于垂直面还是水平面都是对称的；垂直极化的TM111模式磁场在横截面是非纯径向的，例如对水平面是对称的而对于垂直面是反称的，水平极化的TM111则与之相反。
如图3所示，基于阿基米德螺线对称特性，阿基米德螺线方程如下：
r＝r0+aφ (I)
阿基米德螺线方程如公式(2)所示，其结构由角度量来确定，r0是起始半径，a是螺旋增长率，φ是极坐标的极角。充分考虑TE011模式径向磁场圆周对称的分布特点，采用两条旋转对称的阿基米德螺线，两个螺线的空间结构对称，而扭转的方向相反，形成大小相等方向相反的表面电流。基于螺线特定几何结构设计，表面电流大小相等、方向相反，表面电流与TE011模式特定的径向磁场分布吻合，以此抑制干扰模式的产生。表面电流将激励电磁场，和电流分布吻合的力线，铰链紧密的场模式被显著的激励，此处对应的就是TE011模式。
假定TM111模式亦能够产生，由于TM111模式的磁场分布在横截面上面是大小相等，但方向一致；根据安培环路定律及电磁边界条件，其磁场分布必然与对偶环上面的电流分布相抵触。
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于材料电磁介电特性测试的结构，其特征在于，包括圆柱形波导(10)及阿基米德螺线耦合器(20)，将所述圆柱形波导(10)两端密闭形成一圆柱谐振腔(11)，所述阿基米德螺线耦合器(20)位于圆柱谐振腔(11)的上部中心；
所述阿基米德螺线耦合器(20)包括连接段(21)及两根阿基米德螺线(22)，所述阿基米德螺线(22)位于圆柱谐振腔(11)内并与连接段(21)的下端连接，所述连接段(21)的上端贯穿圆柱谐振腔(11)的上端盖，并通过N型接头与同轴电缆相连，同轴电缆的另一端连接有网络分析仪；
两根阿基米德螺线(22)处于同一水平面，且左右对称、大小相等。
2.根据权利要求1所述的一种用于材料电磁介电特性测试的结构，其特征在于，所述阿基米德螺线耦合器(20)为铜材质的一体结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111258765.1A CN114002508A (zh) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 一种用于材料电磁介电特性测试的结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111258765.1A CN114002508A (zh) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 一种用于材料电磁介电特性测试的结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114002508A true CN114002508A (zh) | 2022-02-01 |
Family
ID=79924399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111258765.1A Pending CN114002508A (zh) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 一种用于材料电磁介电特性测试的结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114002508A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1910468A (zh) * | 2004-01-14 | 2007-02-07 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 通过选择性插入导电调谐元件进行调谐的射频陷波器 |
| CN208334509U (zh) * | 2018-07-02 | 2019-01-04 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | 一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统 |
| CN112904243A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-06-04 | 电子科技大学 | 一种高效集中微波磁场谐振腔 |
-
2021
- 2021-10-27 CN CN202111258765.1A patent/CN114002508A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1910468A (zh) * | 2004-01-14 | 2007-02-07 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 通过选择性插入导电调谐元件进行调谐的射频陷波器 |
| CN208334509U (zh) * | 2018-07-02 | 2019-01-04 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | 一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统 |
| CN112904243A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-06-04 | 电子科技大学 | 一种高效集中微波磁场谐振腔 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张海: "基于新型耦合器复介电常数测试系统研究", 中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑, no. 5, pages 042 - 49 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Weller et al. | High performance microshield line components | |
| CN110389259A (zh) | 一种基于siw-csrr结构的固体材料介电常数传感器 | |
| EP1504245A1 (en) | Planar antenna and antenna system | |
| Li et al. | A transition from substrate integrated waveguide (SIW) to rectangular waveguide | |
| Zaman et al. | Validation of ridge gap waveguide performance using in-house TRL calibration kit | |
| JP5597065B2 (ja) | 導波管・平面線路変換器及び高周波回路 | |
| CN112763795B (zh) | 一种用于耦合腔加速结构的边耦合腔测量装置及边耦合腔测量方法 | |
| CN111883896B (zh) | 一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器 | |
| CN114002508A (zh) | 一种用于材料电磁介电特性测试的结构 | |
| CN106684520A (zh) | 一种测量pcb基板电特性的多模基片集成波导谐振器及其测量方法 | |
| CN109473772B (zh) | 双极化超宽带天线 | |
| EP1062754B1 (en) | Testing device and method | |
| Riblet et al. | Some properties of the matched, symmetrical six-port junction | |
| US6172497B1 (en) | High-frequency wave measurement substrate | |
| KR100289618B1 (ko) | 결합전송선로셀 | |
| JP2014174156A (ja) | 誘電特性測定装置 | |
| Sadiq et al. | Equal Beamwidth and Low Sidelobe mm-Wave Horn Antenna | |
| CN114594312A (zh) | 互耦环缝谐振结构的液体复介电常数传感器及测量方法 | |
| JP3659461B2 (ja) | 高周波測定用基板 | |
| Harris et al. | Groove-and H-Waveguide Design and Characteristics at Short Millimetric Wavelengths | |
| Fathoni et al. | Characteristic performance of L-band waveguide BPF made of substrate integrated structure | |
| CN111883887A (zh) | 基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器 | |
| EP1024549A2 (en) | Fast-wave resonant antenna with stratified grounding planes | |
| RU2761101C1 (ru) | Сверхширокополосная рупорная антенна | |
| US20090033444A1 (en) | Configurable high frequency coaxial switch |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |