CN114217138A - 一种低损耗材料介电参数测试装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种低损耗材料介电参数测试装置，包括：电容加载腔、安装于电容加载腔的底部的耦合天线、连接于耦合天线且用于测试电容加载腔放置样品前后的频率变化和品质因数变化的矢量网络分析仪、用于计算待测试样品在电容加载腔中预设频率下介电参数的计算单元、配置于电容加载腔的内部的端盖和能够调节与端盖之间距离的可调电容板；其中，电容加载腔中的预设频率被配置为与可调电容板及端盖两者之间的距离相关联。该低损耗材料介电参数测试装置、方法可以使用新的谐振腔型，新的腔型更加便于频率调节，从而满足宽频带的测试需求。同时，新的谐振腔型在低频段结构更加紧凑，更加便于加工和使用。

Description

一种低损耗材料介电参数测试装置、方法

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装置、方法。

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，通常需要使用谐振腔法进行测试， 以保证测试精度。

谐振腔法的测试原理是，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。

由于在计算过程中需要使用谐振腔中场分布的解析公式进行求解，这就 要求谐振腔的形状可以使麦克斯韦方程组获得解析解，这对谐振腔的选型产 生了很大限制。通常用于测试的谐振腔会使用圆柱形谐振腔，并主要利用其 TM_0n0模式的电场解析公式，对介电参数进行求解。

现有测试装置的缺点：受到算法限制，测试装置的谐振腔选型比较单一。 如果要在较宽的频带内测试介电参数，传统腔型的频率调节比较麻烦。尤其 在低频段的测试中，传统腔型的体积较大，腔体的加工难度较大、成本较高， 并且使用起来并不方便。

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装置、方法， 该低损耗材料介电参数测试装置、方法可以使用新的谐振腔型，新的腔型更 加便于频率调节，从而满足宽频带的测试需求。同时，新的谐振腔型在低频 段结构更加紧凑，更加便于加工和使用。

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装 置，所述低损耗材料介电参数测试装置包括：电容加载腔、安装于电容加载 腔的底部的耦合天线、连接于所述耦合天线且用于测试所述电容加载腔放置 样品前后的频率变化和品质因数变化的矢量网络分析仪、用于计算待测试样 品在所述电容加载腔中预设频率下介电参数的计算单元、配置于所述电容加 载腔的内部的端盖和能够调节与所述端盖之间距离的可调电容板；其中，所 述电容加载腔中的预设频率被配置为与所述可调电容板及所述端盖两者之 间的距离相关联。

优选地，所述矢量网络分析仪通过射频电缆连接于所述耦合天线。

优选地，所述计算单元包括：

系数计算模块，用于所述电容加载腔，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C_simu； 以及

参数计算模块，用于基于所述电容加载腔放置样品前后的频率变化、品 质因数变化以及所述系数C_simu计算所述样品的材料对应的介电参数。

优选地，所述系数计算模块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C_simu：

其中，V_s为样品的体积，V_c为谐振腔的体积；E₀为未放置样品时所述谐 振腔内的电场；E_s为样品内部的电场。

优选地，所述参数计算模块通过下述公式计算所述待测试样品的介电参 数：

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。

另外，本发明还提供一种低损耗材料介电参数测试方法，使用上述的低 损耗材料介电参数测试装置，所述低损耗材料介电参数测试方法包括：

将所述耦合天线安装到电容加载腔底部，旋转所述耦合天线的角度对天 线的耦合度进行微调，使其达到满足需求的匹配状态；

将所述矢量网络分析仪连接所述射频电缆，在所需的测试频段内在所述 所述射频电缆的端口进行校准；

将校准后的射频电缆连接到耦合天线；

选择测试频率，调整电容板与端盖的距离，使得所述电容加载腔的谐振 频率与测试频率一致；

在电容加载腔空载的状态下，测试所述电容加载腔的谐振频率和品质因 数；

打开所述电容加载腔的端盖，放入测试样品；

盖好所述端盖，测试放置样品后的谐振频率和品质因数；

将待测试样品放置前后的测试数据传输到计算单元，所述计算单元根据 所述电容加载器的尺寸计算出当前预设的测试频率下的介电参数。

通过上述技术方案，电容板和端盖之间的大电容对电容加载腔的谐振频 率影响很大，通过调整电容板和端盖之间的距离可以改变电容大小，从而能 够大范围改变腔的谐振频率，进而实现介电参数的宽频带测试。而且，不同 频点间的测试步长，也可以通过电容板的距离进行灵活改变。增大电容板的 面积就可以增大电容，从而降低电容加载腔的谐振频率，在电容加载腔外尺 寸不变的情况下，就可以使电容加载腔工作在低频段。

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低损耗材料介电参数测试装置的模拟示意图；

图2是说明本发明的一种低损耗材料介电参数测试装置的结构示意图；

图3是说明本发明的一种低损耗材料介电参数测试装置的结构示意图；

图4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。

附图标记说明

1 电容加载腔 2 耦合天线

3 射频电缆 4 待测试样品

5 端盖 6 可调电容板

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2、3是本发明的一种低损耗材料介电参数测试装置的结构示意图， 如图2、3所示，所述低损耗材料介电参数测试装置包括：电容加载腔1、安 装于电容加载腔1的底部的耦合天线2、连接于所述耦合天线2且用于测试 所述电容加载腔1放置样品前后的频率变化和品质因数变化的矢量网络分析 仪、用于计算待测试样品4在所述电容加载腔1中预设频率下介电参数的计 算单元、配置于所述电容加载腔1的内部的端盖5和能够调节与所述端盖5 之间距离的可调电容板6；其中，所述电容加载腔1中的预设频率被配置为 与所述可调电容板6及所述端盖5两者之间的距离相关联。

本发明通过使用新的数值仿真算法，本发明的测试装置可以使用电容加 载腔1作为测试样品用的谐振腔，其结构如图2所示。电容加载腔1的一个 主要特点是在电容板和端盖5之间会形成一个较大的电容，此处的电场较强， 并且电场分布也比较集中。在电容板的中心放置测试样品，只需一小块样品， 就可以引起较大的频率f变化和Q值变化，所以具有较高的测试灵敏度。

在电容加载腔1的底部开有耦合端口，使用耦合环实现磁耦合结构。这 样设计的好处是，通过旋转耦合天线2的角度就可以改变耦合的强弱，从而 对测试的灵敏度进行快速调节。本发明的测试装置的结构如图3所示。电容 加载腔1底部的耦合天线2通过射频电缆3与矢量网络分析仪连接。矢量网 络分析仪用来测试谐振腔放置样品前后的频率变化和品质因数变化。矢量网 络分析仪测试的数据送入计算机，通过数据处理程序计算出材料的介电参数。

优选地，所述矢量网络分析仪通过射频电缆3连接于所述耦合天线2。

优选地，所述计算单元包括：系数计算模块，用于所述电容加载腔1， 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C_simu；以及参数计算模块，用于基于所述电容加载 腔1放置样品前后的频率变化、品质因数变化以及所述系数C_simu计算所述 样品的材料对应的介电参数。

优选地，所述系数计算模块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C_simu：

其中，V_s为样品的体积，V_c为谐振腔的体积；E₀为未放置样品时所述谐 振腔内的电场；E_s为样品内部的电场。

优选地，所述参数计算模块通过下述公式计算所述待测试样品4的介电 参数：

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。

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

式中f₀代表未放置样品时腔的谐振频率，

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，V_s代表样品的体积，V_c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

式中E_s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

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

结合式3和式5，可以得到相对介电常数的计算公式为

tanδ为材料的损耗正切，式中的系数C表示为

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。 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C_anal。

本发明所设计的测试装置，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C_simu。

使用数值仿真方法计算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 C_simu。

利用数值仿真方法，可以将式6的计算公式修改为

另外，如图4所示，本发明还提供一种低损耗材料介电参数测试方法， 使用上述的低损耗材料介电参数测试装置，所述低损耗材料介电参数测试方 法包括：

S401，将所述耦合天线2安装到电容加载腔1底部，旋转所述耦合天线 2的角度对天线的耦合度进行微调，使其达到满足需求的匹配状态；

S402，将所述矢量网络分析仪连接所述射频电缆3，在所需的测试频段 内在所述所述射频电缆3的端口进行校准；

S403，将校准后的射频电缆3连接到耦合天线2；

S404，选择测试频率，调整电容板与端盖5的距离，使得所述电容加载 腔1的谐振频率与测试频率一致；

S405，在电容加载腔1空载的状态下，测试所述电容加载腔1的谐振频 率和品质因数；

S406，打开所述电容加载腔1的端盖5，放入测试样品；

S407，盖好所述端盖5，测试放置样品后的谐振频率和品质因数；

S408，将待测试样品4放置前后的测试数据传输到计算单元，所述计算 单元根据所述电容加载器的尺寸计算出当前预设的测试频率下的介电参数。

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 (6)

1.一种低损耗材料介电参数测试装置，其特征在于，所述低损耗材料介电参数测试装置包括：电容加载腔、安装于电容加载腔的底部的耦合天线、连接于所述耦合天线且用于测试所述电容加载腔放置样品前后的频率变化和品质因数变化的矢量网络分析仪、用于计算待测试样品在所述电容加载腔中预设频率下介电参数的计算单元、配置于所述电容加载腔的内部的端盖和能够调节与所述端盖之间距离的可调电容板；其中，所述电容加载腔中的预设频率被配置为与所述可调电容板及所述端盖两者之间的距离相关联。

2.根据权利要求1所述的低损耗材料介电参数测试装置，其特征在于，所述矢量网络分析仪通过射频电缆连接于所述耦合天线。

3.根据权利要求1所述的低损耗材料介电参数测试装置，其特征在于，所述计算单元包括：

系数计算模块，用于所述电容加载腔，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C_simu；以及

参数计算模块，用于基于所述电容加载腔放置样品前后的频率变化、品质因数变化以及所述系数C_simu计算所述样品的材料对应的介电参数。

4.根据权利要求3所述的低损耗材料介电参数测试装置，其特征在于，所述系数计算模块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C_simu：

其中，V_s为样品的体积，V_c为谐振腔的体积；E₀为未放置样品时所述谐振腔内的电场；E_s为样品内部的电场。

5.根据权利要求3所述的低损耗材料介电参数测试装置，其特征在于，所述参数计算模块通过下述公式计算所述待测试样品的介电参数：

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。

6.一种低损耗材料介电参数测试方法，其特征在于，使用权利要求1-5中任意一项所述的低损耗材料介电参数测试装置，所述低损耗材料介电参数测试方法包括：

将所述耦合天线安装到电容加载腔底部，旋转所述耦合天线的角度对天线的耦合度进行微调，使其达到满足需求的匹配状态；

将所述矢量网络分析仪连接所述射频电缆，在所需的测试频段内在所述所述射频电缆的端口进行校准；

将校准后的射频电缆连接到耦合天线；

选择测试频率，调整电容板与端盖的距离，使得所述电容加载腔的谐振频率与测试频率一致；

在电容加载腔空载的状态下，测试所述电容加载腔的谐振频率和品质因数；

打开所述电容加载腔的端盖，放入测试样品；

盖好所述端盖，测试放置样品后的谐振频率和品质因数；

将待测试样品放置前后的测试数据传输到计算单元，所述计算单元根据所述电容加载器的尺寸计算出当前预设的测试频率下的介电参数。

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