CN114665245B

CN114665245B - 一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器

Info

Publication number: CN114665245B
Application number: CN202210337664.1A
Authority: CN
Inventors: 余承勇; 程锦; 高冲; 张云鹏; 高勇; 郑虎; 李恩; 李灿平; 李洪
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114665245A

Abstract

本发明的目的在于提供一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器，属于介质谐振器技术领域。该谐振器通过在上下金属板和石英支撑柱中心设置尺寸相同的空气柱，通过对空气柱抽真空从而完成介质柱的固定，避免了现有技术中介质柱固定方式带来对测试结果的影响；同时谐振腔固定方式的改变，减小了对腔体场分布的影响，在计算时使分区简化，从而让复介电常数的计算更加简便、测试结果更加准确。

Description

一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器

技术领域

本发明属于介质谐振器技术领域，具体涉及一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器。

背景技术

介质材料的性能，是决定微电子技术和半导体制造技术发展的重要的因素，准确测量介质材料的电磁参数对于无线通信技术以及微波毫米波电路集成的发展具有举足轻重的作用。电磁参数中重要的一个参数为复介电常数。目前针对复介电常数的测试方法主要有网络参数法以及谐振法。典型的网络参数法有传输反射法、终端短路法以及自由空间法等方法，这类方法的测试频段宽，测试频点多，但测试精度相对于谐振法较低，无法满足高精度测试的需求。典型的谐振法有圆柱腔法、带状线法、准光腔法以及介质谐振器法等方法，谐振法相对于网络参数法测试频点较少，但精度较高。

介质谐振器与金属腔谐振器相比除了能满足相同的功能和性能的同时，还具有体积小、Q值高、结构简单、温度稳定性好、重量轻、成本低、易于集成等优点，已广泛地应用于微波通信、卫星通信、移动通信、雷达、遥控遥测、电子对抗及电子侦察设备中。分离式介质谐振器法测量介质的复介电常数时，选用的工作模式常为TE0np模式，放置样品后，在两个介质柱中间的一个介质平面上放入待测样品这一薄介质时，电场在介质交界面保持连续，对界面存在的空气隙不灵敏，但会引起谐振系统内，特别在电壁面附近电磁场分布的变化，从而可以根据放置样品前后的谐振频率和Q值的变化来反演复介电常数。分离式介质谐振器在测试介质的复介电常数时，所采用的介质柱往往要求介电常数很大，才能将能量最大限度地集中在介质谐振器的内部，在介质柱以外的轴向和径向空气区的电磁波形成极快衰减的消逝场，从而不必去考虑空气区的存在，极大地简化了分析过程和降低了可能的辐射。彼此分离的介质柱和固定支架都由极低损耗的材料构成，则可以获得Q值高的分离式介质谐振器，适宜于薄板介质的测量。在这种结构下，上下分离的介质柱中间有一定间隔，使得置入和移出样品都变得容易。

近年来国内外对分离式介质谐振器做了大量的研究，如波兰的Jerzy Krupka等人提出的在分离式介质谐振器的上下介质柱靠近金属板一侧的上边缘夹紧，或者上下介质柱中心打孔上拉的方式来构成分离式介质谐振器。但这两种方式影响了腔体内部的场分布，因而导致其谐振频率产生一定的偏移；同时在用模式匹配算法计算分离式介质谐振器内部待测材料的复介电常数时，会引入大量的分区，且分区不对称，造成计算复杂、繁琐。

因此，如何设计分离式介质谐振器，使得对介质柱无损伤、谐振器内部场分布无影响，从而让复介电常数的测量和计算更加简便易行，就成为了当前研究重点。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器。该谐振器通过在上下金属板和石英支撑柱中心设置尺寸相同的空气柱，通过对空气柱抽真空从而完成介质柱的固定，避免了现有技术中介质柱固定方式带来对测试结果的影响；同时谐振腔固定方式的改变，减小了对腔体场分布的影响，在计算时使分区简化，从而让复介电常数的计算更加简便、测试结果更加准确。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器，包括上下对称设置的两个谐振单元和两个耦合装置；每个谐振单元包括从上至下的金属板、石英支撑柱和介质块；两个介质块之间间隔一定距离，用于放置待测介质材料；所述耦合装置包括耦合环和调节装置，所述调节装置设置于两个金属板的竖直侧面，且与上下两个金属板固定连接；所述耦合环固定设置于调节装置的螺纹杆的末端，螺纹杆和耦合环均与谐振单元的对称轴平行，左侧耦合环与第一金属板之间的垂直距离和右侧耦合环与第二金属板之间的垂直距离相等；

所述金属板和石英支撑柱的中心位置设置通孔，用于形成真空柱固定与石英支撑柱连接的介质块。

进一步地，所述分离式介质谐振器还包括真空密闭装置，用于对金属板和石英支撑柱上的通孔抽真空，形成真空柱。

进一步地，所述耦合环为两个同轴线馈电的磁耦合环，同轴线的外导体上涂覆吸波材料。

进一步地，所述螺纹杆具有三轴，便于上下、左右、前后调节耦合量。

进一步地，所述待测介质材料应大于介质柱的直径，并紧贴下介质柱放置。

进一步地，所述介质柱采用高介电常数的介质材料，优选为陶瓷材料，能够将能量最大限度地集中在介质谐振器的内部，形成更好的谐振效果。

本发明还提供了基于上述介质柱无损伤的分离式介质谐振器反演得到介电材料复介电常数的方法，具体为：根据各个材料的介电性能进行区域的划分，然后采用模式匹配算法结合分区即可反演得到介电材料的复介电常数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的测试装置及方法实现了微波介质材料复介电常数的高精度测试，无需额外的校准和数据修正，缩短了测试时间；分离式介质谐振器上下介质柱的间距可以根据需求实际设计，降低了测试对样品的要求。本发明测试装置没有破环分离式介质柱，无其他结构对介质柱内场分布的影响，得到更为纯净的谐振腔场分布；并且使用模式匹配算法求解时，分区少，且分区对称，因此计算方便，且更为简单准确，为分离式介质谐振器计算待测材料复介电常数提供了极大的简便。

附图说明

图1为本发明分离式介质谐振器的整体结构示意图。

图2为本发明分离式介质谐振器的竖直剖面结构示意图。

图3为本发明分离式介质谐振器中调节装置的示意图。

图4为本发明分离式介质谐振器的中电场线和磁力线分布图。

图5为对比例1的分离式介质谐振器的竖直剖面结构示意图。

图6为对比例2的分离式介质谐振器的竖直剖面结构示意图。

图7为本发明分离式介质谐振器和对比例1的分离式介质谐振器的谐振频率对比图。

图8为本发明分离式介质谐振器和对比例2的分离式介质谐振器的谐振频率对比图。

图9为本发明、对比例1和对比例2的分离式介质谐振器的算法分区示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器，其整体结构示意图如图1所示，包括上下对称设置的两个谐振单元和两个耦合装置；每个谐振单元包括从上至下的金属板1、石英支撑柱2和介质块3；两个介质块之间间隔一定距离，用于放置待测介质材料；所述耦合装置包括耦合环4和调节装置5，所述调节装置设置于两个金属板的竖直侧面，且与两个金属板固定连接，所述耦合环固定设置于调节装置的螺纹杆的末端，螺纹杆和耦合环均与谐振单元的对称轴平行，左侧耦合环与第一金属板之间的垂直距离和右侧耦合环与第二金属板之间的垂直距离相等；

所述金属板和石英支撑柱的中心位置设置通孔，用于形成真空柱固定与石英支撑柱连接的介质块；所述分离式介质谐振器还包括真空密闭装置6，用于对金属板和石英支撑柱上的通孔抽真空，形成真空柱。

本发明分离式介质谐振器的竖直剖面结构示意图如图2所示，上下金属板、上下支撑作用的石英柱相互平行，上下的介质柱、石英支撑柱、金属板均保持同心；耦合环距离谐振器上、下金属板的距离相等，环面平行于谐振器上、下板，与矢量网络分析仪的两个端口相连接。调节装置的示意图如图3所示，耦合环连接于三轴的螺纹杆上(图中未示出)，调节装置为长方体形，其长度方向开设一凹槽，用于待测介质的放入与去除，三个方向设置三个调节旋钮，可以上下、左右、前后调节耦合环的位置，从而调节耦合量，在调节耦合量时，应对称、缓慢调节。

分离式介质谐振器的磁场和电场分布如图4所示。其中，实线代表电场线的分布情况，虚线代表磁力线的分布情况。在调节耦合环的位置时，需要根据所需的耦合量，让磁力线对称的穿过耦合环所在的环面。

根据图4中的场分布，可以推导出TE_0np模式的特征方程：

其中，J_p(k_c1a)、K_p(k_c2a)分别为p阶第一类贝塞尔函数和第二类变态贝塞尔函数，a为介质柱半径，k_c由

确定。

对比例1

该对比例和本发明介质谐振器的竖直剖面图相似，仅仅是介质柱的固定方式不同，如图5所示。本对比例中，通过在金属板、支撑柱和介质柱的中心处开设孔洞，通过孔洞完成对介质柱的固定。

对比例2

该对比例和本发明介质谐振器的竖直剖面图相似，仅仅是介质柱的固定方式不同，如图6所示。本对比例中，通过在介质柱的两侧设置固定夹，固定夹同时与金属板固定连接，从而完成介质柱的固定。

针对图2和图5、图6的三种结构进行仿真模拟，三种结构谐振频率的对比情况如图7和图8所示。从不同结构的谐振频率情况对比可以看出，本发明所提出的采用抽真空的方式固定介质块，能够在不影响介质块的场分布的情况下，形成更稳定的谐振场分布，相比于其它结构，因为在谐振介质块内部产生的是完整的谐振场分布时，其测试灵敏度更高，所测结果更加准确。同时在特定的所需测试谐振频点，在以上两种对比结构的谐振频率产生较大偏移时，会产生较大误差，从图7和图8中可以看出，本发明和中间开孔、双侧夹的方案相比，存在较大的频偏，例如在特征频率数为8时，双侧夹的方案频偏达到368.2MHz、中间开孔的方案频偏达到353MHz，而实际测试时放样品前后一般频率偏移才几MHz。因此本发明所提出的结构能够得到更加准确的谐振频率，得到更加准确的测试结结果。

针对图2和图5、图6的三种结构，在用模式匹配算法求解待测材料的复介电常数时，三种结构的分区对比情况如图9所示，其中，(a)为介质柱两侧设置固定夹，(b)为通过中心开孔完成对介质柱的固定，(c)为本发明真空固定。可以看出，本发明所提出的无损伤介质柱的分离式介质谐振器，在算法上，分区数量更少，分区更加对称，使得特征值的求解得到很大的简化，从而简化变量求解的复杂度，不需要通过拟合的方式求解。

采用模式匹配算法求待测材料的复介电常数的步骤如下：

步骤1：区域的划分，根据不同材料的电磁特性进行区域的划分。

步骤2：在所划分的区域内，根据麦克斯韦方程组，求解亥姆霍茨方程，写出各个区域的场分布表达式，利用区域结构特性，化简系数表达式，在得到各个区域的场表达式后，利用各个分区间的边界条件联立式子进行方程求解，最后根据根存在条件，求解内部特征值问题；

步骤3：根据内部特征值和各个区域的场分布以及相应的边界条件，求解外部特征值问题，可求出待测材料的介电常数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种无损伤介质柱的分离式介质谐振器，其特征在于，包括两个谐振单元和两个耦合装置；每个谐振单元包括依次设置的金属板、石英支撑柱和介质块，两个谐振单元呈上下对称且两个介质块相对；两个介质块之间间隔一定距离，用于放置待测介质材料；所述耦合装置包括耦合环和调节装置，所述调节装置设置于两个谐振单元的左右两侧，且与上下两个金属板固定连接；所述耦合环固定设置于调节装置的螺纹杆的末端，螺纹杆和耦合环均与两个谐振单元的对称轴平行，上侧谐振单元中的金属板为第一金属板，下侧谐振单元中的金属板为第二金属板，左侧耦合环与第一金属板之间的垂直距离和右侧耦合环与第二金属板之间的垂直距离相等；

2.如权利要求1所述的分离式介质谐振器，其特征在于，所述分离式介质谐振器还包括真空密闭装置，用于对金属板和石英支撑柱上的通孔抽真空，形成真空柱。

3.如权利要求1所述的分离式介质谐振器，其特征在于，所述耦合环为两个同轴线馈电的磁耦合环，同轴线的外导体上涂覆吸波材料。

4.如权利要求1所述的分离式介质谐振器，其特征在于，所述螺纹杆具有三轴，便于上下、左右、前后调节耦合量。

5.如权利要求1所述的分离式介质谐振器，其特征在于，所述待测介质材料应大于介质柱的直径，并紧贴下介质柱放置。

6.如权利要求1所述的分离式介质谐振器，其特征在于，所述介质柱采用高介电常数的介质材料，能够将能量最大限度地集中在介质谐振器的内部，形成更好的谐振效果。

7.如权利要求6所述的分离式介质谐振器，其特征在于，高介电常数的介质材料优选为陶瓷材料。