CN114167146A - 一种低损耗材料介电参数测试方法、系统 - Google Patents

一种低损耗材料介电参数测试方法、系统 Download PDF

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CN114167146A CN202111498109.9A CN202111498109A CN114167146A CN 114167146 A CN114167146 A CN 114167146A CN 202111498109 A CN202111498109 A CN 202111498109A CN 114167146 A CN114167146 A CN 114167146A
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邵海根
胡勇
郑军
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Abstract

本发明实施例提供一种低损耗材料介电参数测试方法、系统。包括:测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0;将待测介电参数的材料对应的样品放置于谐振腔中,测量放置样品后的样品谐振频率f和样品品质因数Q;建立谐振腔与样品的用于确定谐振腔的电场分布的数值仿真模型;针对任何形状的谐振腔,利用数值仿真模型确定谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的体积分对应的系数Csimu;以及基于空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及系数Csimu计算样品的材料对应的介电参数。本发明不依赖谐振腔中场分布的解析公式,可以更加灵活的选择谐振腔的形状。

Description

一种低损耗材料介电参数测试方法、系统
技术领域
本发明涉及低损耗材料介电参数测试的技术领域,具体地涉及一种低损耗材料介电参数测试方法、系统。
背景技术
随着微波技术、电子技术、电磁兼容技术,以及材料科学的发展,介质材料的作用变得十分显著。在微波系统中,通常需要使用一定数量的介质材料实现特定功能。对于介电参数,材料的损耗正切反映了材料对电场的损耗能力。低损耗材料的损耗正切通常较小,这就给损耗正切的准确测试带来了较大难度。
对于低损耗材料,常用的介电参数测试方法是使用谐振腔法。其测试原理是,在谐振腔中放置一小块材料样品,分别测量样品放置前后谐振腔的谐振频率变化和品质因数变化,通过谐振频率的变化计算出样品材料的相对介电常数的实部,通过品质因数的变化计算出样品材料的相对介电常数的虚部,用虚部除以实部即可得到介电常数的损耗正切。
现有方法的缺点:现有方法在计算过程中依赖于谐振腔中场分布的解析公式,这就大大限制了谐振腔的腔形选择,一旦使用了特殊腔型,谐振腔内的场分布无法通过解析公式准确获得,那么将严重影响损耗正切测试的准确性。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种低损耗材料介电参数测试方法、系统,该低损耗材料介电参数测试方法不依赖谐振腔中场分布的解析公式,可以更加灵活的选择谐振腔的形状。
为了实现上述目的,本发明实施例提供一种低损耗材料介电参数测试方法,所述低损耗材料介电参数测试方法包括:
测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0
将待测介电参数的材料对应的样品放置于所述谐振腔中,测量放置所述样品后的样品谐振频率f和样品品质因数Q;
建立所述谐振腔与所述样品的用于确定所述谐振腔的电场分布的数值仿真模型;
针对任何形状的所述谐振腔,利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu;以及
基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数。
优选地,所述利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布包括:
通过电磁场本征模求解的方式,使用所述数值仿真模型得出谐振腔内的电场分布。
优选地,所述基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数包括:
Figure BDA0003401674920000021
Figure BDA0003401674920000022
Figure BDA0003401674920000023
其中,tanδ为材料的损耗正切,Δf为所述空载谐振频率f0与所述样品谐振频率f的差。
优选地,所述计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu包括:
Figure BDA0003401674920000031
其中,Vs为样品的体积,Vc为谐振腔的体积;E0为未放置样品时所述谐振腔内的电场;Es为样品内部的电场。
另外,本发明还提供一种低损耗材料介电参数测试系统,所述低损耗材料介电参数测试系统包括:
测试单元,用于测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0;将待测介电参数的材料对应的样品放置于所述谐振腔中,测量放置所述样品后的样品谐振频率f和样品的品质因数Q;
模型建立单元,用于建立所述谐振腔与所述样品的用于确定所述谐振腔的电场分布的数值仿真模型;
系数计算单元,用于针对任何形状的所述谐振腔,利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu;以及
参数计算单元,用于基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数。
优选地,所述系数计算单元利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布包括:
所述所述系数计算单元通过电磁场本征模求解的方式,使用所述数值仿真模型得出谐振腔内的电场分布。
优选地,所述参数计算单元通过下述公式计算所述样品的材料对应的介电参数:
Figure BDA0003401674920000032
Figure BDA0003401674920000041
Figure BDA0003401674920000042
其中,tanδ为材料的损耗正切,Δf为所述空载谐振频率f0与所述样品谐振频率f的差。
优选地,所述系数计算单元通过下述公式计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu
Figure BDA0003401674920000043
其中,Vs为样品的体积,Vc为谐振腔的体积;E0为未放置样品时所述谐振腔内的电场;Es为样品内部的电场。
另外,本发明还提供一种机器可读存储介质,该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行上述的低损耗材料介电参数测试方法。
另外,本发明还提供一种处理器,用于运行程序,其中,所述程序被运行时用于执行:如上述的低损耗材料介电参数测试方法。
通过上述技术方案,本发明计算体积分对应的系数的计算过程不再依赖于谐振腔中场分布的解析公式,因此结合不同的测试需求可以更加灵活的选择谐振腔的形状。该种方法下任何形状的谐振腔都可以通过数值仿真进行精确求解,即任何形状的谐振腔都可以通过数值方法计算出Csimu。这样就使得谐振腔的腔型选择更为灵活,同时也大大提高了测试的准确性。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例,但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中:
图1是说明本发明的一种谐振腔的结构示意图;
图2是说明本发明的一种低损耗材料介电参数测试方法的流程图;以及
图3是说明本发明的一种低损耗材料介电参数测试系统的模块框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例,并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明的一种谐振腔的结构示意图,如图1所示,在谐振腔中放置了一个待测样品。样品放置前后,谐振腔的复频率变化可以表示为
Figure BDA0003401674920000051
式中f0代表未放置样品时腔的谐振频率,
Figure BDA0003401674920000052
代表放置样品后腔的复频率变化量,E0和H0代表未放置样品时空腔内的电场和磁场,E和H代表放置样品后腔内的电场和磁场,Vs代表样品的体积,Vc代表谐振腔的体积。
通常介电材料的相对磁导率于空气相同,即Δμ=0。如果样品尺寸较小,那么样品对谐振腔相当于微扰,可以认为样品放置前后腔内的电场变化很小,即E≈E0。那么式1可以化简为
Figure BDA0003401674920000053
式中Es代表样品内部的电场。
另一方面放置样品前后,谐振腔的复频率变化可以通过谐振频率和品质因数的变化量表示为
Figure BDA0003401674920000061
式中,Δf代表放置样品前后腔的振频率变化量,Q0代表未放置样品时空腔的品质因数,Q代表放置样品后腔的品质因数。
材料的介电常数可以表示为
ε=ε0(ε′-jε″) 式4
空气的介电常数为1,将式4代入式2可以得到
Figure BDA0003401674920000062
结合式3和式5,可以得到相对介电常数的计算公式为
Figure BDA0003401674920000063
tanδ为材料的损耗正切,式中的系数C表示为
Figure BDA0003401674920000064
在测试过程中,谐振频率变化Δf、品质因数Q0和Q,都可以通过测量得到。只要计算得到系数C的值,就可以计算出样品的损耗正切tanδ。
通过式7可以看出,系数C的值与谐振腔中和样品内部的电场分布有关。计算C的值是整个算法中的关键环节。现有的计算C的方法是,将谐振腔的形状设计成特定形状(例如,圆柱形),这样腔内的场分布就可以通过解析公式获得,这样通过解析公式就可以计算出系数C的值,此处将通过解析公式计算出的C值定义为Canal
本发明的创新之处在于,不再使用解析公式计算C的值,而是使用电磁场数值仿真的方式计算C的值。具体的计算方法是,建立谐振腔与样品的数值仿真模型,通过电磁场本征模求解的方式,使用计算机仿真得出谐振腔内的电场分布。只要合理的加密模型网格,就可以仿真得到谐振腔内电场的准确分布。利用式7中的积分公式,对仿真得到的电场进行体积分运算,进而就可以计算出系数C的的数值解。此处,将通过仿真计算求解出的C值定义为Csimu
通过仿真计算得到C值的好处在于,任何形状的谐振腔都可以通过数值仿真进行精确求解,即任何形状的谐振腔都可以通过数值方法计算出Csimu。这样就使得谐振腔的腔型选择更为灵活,同时也大大提高了测试的准确性。
在本发明中,利用数值仿真方法,可以将式6的计算公式修改为
Figure BDA0003401674920000071
图2提供一种低损耗材料介电参数测试方法,如图2所示,所述低损耗材料介电参数测试方法包括:
S201,测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0
S202,将待测介电参数的材料对应的样品放置于所述谐振腔中,测量放置所述样品后的样品谐振频率f和样品品质因数Q;
S203,建立所述谐振腔与所述样品的用于确定所述谐振腔的电场分布的数值仿真模型;
S204,针对任何形状的所述谐振腔,利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu;以及
S205,基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数。
优选地,所述利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布包括:
通过电磁场本征模求解的方式,使用所述数值仿真模型得出谐振腔内的电场分布。
优选地,所述基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数包括:
Figure BDA0003401674920000081
Figure BDA0003401674920000082
Figure BDA0003401674920000083
其中,tanδ为材料的损耗正切,Δf为所述空载谐振频率f0与所述样品谐振频率f的差。
优选地,所述计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu包括:
Figure BDA0003401674920000084
其中,Vs为样品的体积,Vc为谐振腔的体积;E0为未放置样品时所述谐振腔内的电场;Es为样品内部的电场。
另外,如图3所示,本发明还提供一种低损耗材料介电参数测试系统,所述低损耗材料介电参数测试系统包括:
测试单元,用于测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0;将待测介电参数的材料对应的样品放置于所述谐振腔中,测量放置所述样品后的样品谐振频率f和样品的品质因数Q;
模型建立单元,用于建立所述谐振腔与所述样品的用于确定所述谐振腔的电场分布的数值仿真模型;
系数计算单元,用于针对任何形状的所述谐振腔,利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu;以及
参数计算单元,用于基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数。
优选地,所述系数计算单元利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布包括:
所述系数计算单元通过电磁场本征模求解的方式,使用所述数值仿真模型得出谐振腔内的电场分布。
优选地,所述参数计算单元通过下述公式计算所述样品的材料对应的介电参数:
Figure BDA0003401674920000091
Figure BDA0003401674920000092
Figure BDA0003401674920000093
其中,tanδ为材料的损耗正切,Δf为所述空载谐振频率f0与所述样品谐振频率f的差。
优选地,所述系数计算单元通过下述公式计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu
Figure BDA0003401674920000094
其中,Vs为样品的体积,Vc为谐振腔的体积;E0为未放置样品时所述谐振腔内的电场;Es为样品内部的电场。
另外,本发明还提供一种机器可读存储介质,该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行上述的低损耗材料介电参数测试方法。
另外,本发明还提供一种处理器,用于运行程序,其中,所述程序被运行时用于执行:如上述的低损耗材料介电参数测试方法。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种低损耗材料介电参数测试方法,其特征在于,所述低损耗材料介电参数测试方法包括:
测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0
将待测介电参数的材料对应的样品放置于所述谐振腔中,测量放置所述样品后的样品谐振频率f和样品品质因数Q;
建立所述谐振腔与所述样品的用于确定所述谐振腔的电场分布的数值仿真模型;
针对任何形状的所述谐振腔,利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu;以及
基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数。
2.根据权利要求1所述的低损耗材料介电参数测试方法,其特征在于,所述利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布包括:
通过电磁场本征模求解的方式,使用所述数值仿真模型得出谐振腔内的电场分布。
3.根据权利要求1所述的低损耗材料介电参数测试方法,其特征在于,所述基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数包括:
Figure FDA0003401674910000011
Figure FDA0003401674910000012
Figure FDA0003401674910000013
其中,tanδ为材料的损耗正切,Δf为所述空载谐振频率f0与所述样品谐振频率f的差。
4.根据权利要求1所述的低损耗材料介电参数测试方法,其特征在于,所述计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu包括:
Figure FDA0003401674910000021
其中,Vs为样品的体积,Vc为谐振腔的体积;E0为未放置样品时所述谐振腔内的电场;Es为样品内部的电场。
5.一种低损耗材料介电参数测试系统,其特征在于,所述低损耗材料介电参数测试系统包括:
测试单元,用于测试谐振腔空载时的空载谐振频率f0和空载品质因数Q0;将待测介电参数的材料对应的样品放置于所述谐振腔中,测量放置所述样品后的样品谐振频率f和样品的品质因数Q;
模型建立单元,用于建立所述谐振腔与所述样品的用于确定所述谐振腔的电场分布的数值仿真模型;
系数计算单元,用于针对任何形状的所述谐振腔,利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布,且计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu;以及
参数计算单元,用于基于所述空载谐振频率f0、空载品质因数Q0、样品谐振频率f和样品品质因数Q以及所述系数Csimu计算所述样品的材料对应的介电参数。
6.根据权利要求5所述的低损耗材料介电参数测试系统,其特征在于,所述系数计算单元利用所述数值仿真模型确定所述谐振腔的电场分布包括:
所述系数计算单元通过电磁场本征模求解的方式,使用所述数值仿真模型得出谐振腔内的电场分布。
7.根据权利要求5所述的低损耗材料介电参数测试系统,其特征在于,所述参数计算单元通过下述公式计算所述样品的材料对应的介电参数:
Figure FDA0003401674910000031
Figure FDA0003401674910000032
Figure FDA0003401674910000033
其中,tanδ为材料的损耗正切,Δf为所述空载谐振频率f0与所述样品谐振频率f的差。
8.根据权利要求5所述的低损耗材料介电参数测试系统,其特征在于,所述系数计算单元通过下述公式计算该电场分布下的所述体积分对应的系数Csimu
Figure FDA0003401674910000034
其中,Vs为样品的体积,Vc为谐振腔的体积;E0为未放置样品时所述谐振腔内的电场;Es为样品内部的电场。
9.一种机器可读存储介质,其特征在于,该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行权利要求1-4中任意一项所述的低损耗材料介电参数测试方法。
10.一种处理器,其特征在于,用于运行程序,其中,所述程序被运行时用于执行:如权利要求1-4中任意一项所述的低损耗材料介电参数测试方法。
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