CN114966342A - 基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法，属于微波测试技术领域。该系统结合波导终端短路法进行具体设计，包括测试夹具、温度测试模块、压力测试模块和主机模块，使得能测量待测材料在高温高压联合作用下的介电性能；相较于测量微波材料介电常数的其它谐振法，波导终端短路法属于反射法，通过测量前的校准，将电磁波在波导和透波材料带来的损耗校准为零，可以准确地测量损耗较大的微波材料；且整个测试系统属于封闭式测试系统，测试不受外部环境影响，使得测试结果具有良好的重复性；并且基于该系统的测试方法只需测量单端口反射系数，具有结构简单、测试频带宽、体积小等优点。

Description

基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法。

背景技术

电磁参数是描述材料的电磁特性的两个基本的特征参数，具体为材料的复介电常数和复磁导率，它们表征了材料与电磁场的相互作用。大部分材料为非磁性材料，因此对材料电磁参数的测试主要是测量材料的复介电常数。微波介质材料作为传输电磁波的载体，不仅被用作透波材料，诸如天线罩、天线窗等航天器件的制作，也可被用作吸波材料，主要应用于雷达隐身技术。飞行器和某些武器的表面的吸波材料在高速飞行和变速飞行时，温度和压力将发生剧烈变化，使得研究人员需要了解温度和压力变化对飞行器表面吸波材料性能的影响。因此，研究高温高压下微波材料电磁参数具有重要的现实意义。

针对于高温高压下对微波材料电磁参数提取的需求，现有的检测技术主要针对于单一力场下即温度场或者压力场下微波材料的电磁参数提取。针对于温度场下微波材料的电磁参数提取技术有：李恩在《吸波材料电磁参数在X波段的变温测试》论文中，使用传输反射法对微波材料进行了变温测试，测试的微波波段为X波段(8GHz～12GHz)，设计了一套自动测试系统，包括温度控制系统、散热波导、隔热波导、测温座、校准件、测试样品，该方法安装、校准和测试十分方便，温度控制容易，适用于高损耗微波材料的电磁参数测量，但只针对于微波材料的温度场下电磁参数的提取，且温度测试范围较窄，仅为室温～210℃。周扬的论文《带状线法透波材料高温介电性能测试技术研究》中，使用了带状线法在温度场下对微波材料的电磁参数进行了测试，测试的微波波段为500MHz～8GHz，设计了一套高温微波谐振系统，对带状线谐振腔进行了优化设计，研制出了微波变温传输系统，该方法测试频率和温度的范围广，重复性好，同时温度测试范围为室温～1500℃，但该方法仍只针对于微波材料在单一温度场下电磁参数的提取。王锋的论文《磷酸铝系透波复合材料的力学性能与介电性能研究》中，研究了硅氧增强磷酸铝系复合材料在不同压力下的介电性能的影响，通过对样品施加不同成型压力，测量样品的介电性能；但该方法只是单一的对样品进行压力场下介电性能的测试，无法进行高温高压下对微波材料的电磁参数的测试。

综上，国内外对微波材料电磁参数提取检测技术主要是在温度场下或者压力场下这种单一场进行的。因此，高温高压联合作用下对微波材料电磁参数提取技术为当下微波材料测试重要研究方向之一。

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基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法。该系统包括测试夹具、温度测试模块、压力测试模块和主机模块，可以实现对微波材料在高温高压联合作用下的电磁参数提取，同时本发明方法具有自动化高、封闭式测试、准确率高等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统，包括测试夹具、温度测试模块、压力测试模块和主机模块；

所述测试夹具包括波导转接头4、散热波导5、绝热波导6、高温波导7、金属棒8、填充石英12和金属短路板15；其中，波导转接头4的波导端与散热波导5连接，同轴端与同轴线11连接，用于实现电磁波的匹配传输和模式转换；散热波导5、绝热波导6和高温波导 7均为矩形波导，依次固定连接，散热波导5和绝热波导6用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3产生高温损伤；待测微波材料14 设置于高温波导内，其左侧为填充石英12，右侧为金属短路板15，金属短路板15右侧固定连接金属棒8；高温波导7和金属短路板15共同对待测微波材料14施加温度场，填充石英1 2和金属短路板15共同实现对待测样品14施加压力场；

所述温度测试模块包括升温装置、冷却装置和温度检测装置；其中，升温装置包括感应加热丝13和温控柜19，感应加热丝13环绕高温波导7设置，并连接至温控柜19，用于对高温波导7进行感应电流加热，以实现对待测材料的升温；冷却装置包括隔热复合材料17和散热金属柱18，依次固定设置于金属棒8的右侧，防止高温的扩散；温度检测装置为温度传感器16，设置于金属短路板15的右侧，用于实时监测待测材料的温度，同时，温度传感器16通过导线外接LED数字显示屏，对温度进行实时的显示；

所述压力测试模块包括施压装置和压力检测装置；所述压力检测装置包括压力传感器9 和压力显示器21，压力传感器9固定设置于散热金属柱18的右侧，压力显示器21与压力传感器9连接，用于显示实时施加压力；施压装置为加压器10，加压器10与压力传感器9相接，用于调节对压力感应器9施加的力，从而准确控制对待测材料施加的力场；

所述主机模块包括电脑1和矢量网络分析仪3；矢量网络分析仪3用于测量材料在终端短路波导中的S参数，电脑1用于控制矢量网络分析仪3自动获取加载待测样品前后测试系统的S参数，并通过算法反演获得待测材料的电磁参数。

进一步地，散热波导5和散热金属柱18内设置水冷槽，通过外接水冷箱2，用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3和压力传感器 9等产生高温损伤。

进一步地，所述散热波导5的材料优选为铝，为了进行良好散热，应当加大其散热面积，同时对波导的外部进行加工，使波导表面为排列整齐的鳍片，并对波导的外表面进行发黑处理，提高散热效率。

进一步地，所述绝热波导6用于隔离高温波导7与散热波导5，使高温波导7以较低的散热速度向外传热，因此绝热波导6的热阻要大，采用薄壁低插损低导热的波导用于制作绝热波导。

进一步地，高温波导7和金属短路板15的材料均为耐高温且膨胀系数低的金属，由于测试温度高达1000℃以上，必须保证在高温下波导不产生过大的形变和严重的氧化，金属氧化会导致波导较大损耗，致使测试误差较大。

进一步地，所述波导转接头4为同轴-矩形波导模式转换器，其作用是将同轴线中的TE M模式转换形成矩形波导中的TE模式，以达到信号传输完成测试的目的，其工作频段为12. 4～19GHz，中心频率为15GHz，驻波比为VSWR<1.2。

一种基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1.将波导加温加压至目标值，待温度稳定后，测试未放置待测材料下的反射系数 S_11h空；

步骤2.在波导中放置待测材料，将波导加温加压至目标值，待温度和压力稳定后，测量得到材料的反射系数S_11h；

步骤3.对步骤2所测得的反射系数S_11h进行修正，修正之后反射系数S₁₁为：

其中，|S₁₁|为修正之后反射系数S₁₁的模，θ_S11为修正之后反射系数S₁₁的相位；

步骤4.通过对步骤3得到修正之后反射系数S₁₁进行反演，即可得到待测材料的介电常数，具体过程为：

计算待测材料在波导中的传播常数γ，公式如下：

根据步骤3得到修正之后反射系数S₁₁，则有：

γ＝α+j·β (3)

λ_c＝2a (8)

其中，d为待测样品的厚度，L为整个测试波导长度，包括散热波导5、绝热波导6和高温波导7，a为测试波导的宽边尺寸，c为真空中的光速，β₀为空载波导中的传播常数，λ₀为自由空间中的波长，λ_c为测试波导的截止波长，f₀为工作频率，ρ为输入驻波系数，θ_j为驻波最小点到待测材料输入端的相位，α为衰减常数，β为相位常数；

由以上公式可以得到：

式中，ε′_r为待测介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过创新性地设计具体的测试系统，使得能对待测微波材料同时施加温度场和压力场，并结合波导终端短路法，从而测量得到材料在高温高压联合作用下的介电性能。相较于测量微波材料介电常数的其它谐振法，波导终端短路法属于反射法，通过测量前的校准，将电磁波在波导和透波材料带来的损耗校准为零，可以准确地测量损耗较大的微波材料。

2.本发明设计的测试系统，由于使用波导终端短路法，属于封闭式测试系统，测试不受外部环境影响，使得测试结果具有良好的重复性；并且基于该系统的测试方法只需测量单端口反射系数，具有结构简单、测试频带宽、体积小等优点。

附图说明

图1为本发明介电性能测试系统的结构示意图；

其中，1是程控电脑、2是水冷箱、3是矢量网络分析仪、4是波导转接头、5是散热波导、6是绝热波导、7是高温波导、8是金属棒、9是压力传感器、10是加压器、11是同轴电缆、12是填充石英、13是感应加热丝、14是待测样品、15是金属短路板、16是温度传感器、 17是隔热复合材料、18是散热金属柱、19是温控柜、20是温度显示器、21是压力显示器。

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。

一种基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统，包括测试夹具、温度测试模块、压力测试模块和主机模块；

所述测试夹具包括波导转接头4、散热波导5、绝热波导6、高温波导7、金属棒8、填充石英12和金属短路板15；其中，波导转接头4的波导端与散热波导5连接，同轴端与同轴线11连接，用于实现电磁波的匹配传输和模式转换；散热波导5、绝热波导6和高温波导 7均为矩形波导，依次固定连接，散热波导5和绝热波导6用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3产生高温损伤；待测微波材料14 设置于高温波导内，其左侧为填充石英12，右侧为金属短路板15，金属短路板15右侧固定连接金属棒8；高温波导7和金属短路板15共同对待测微波材料14施加温度场，填充石英1 2和金属短路板15共同实现对待测样品14施加压力场；

所述温度测试模块包括升温装置、冷却装置和温度检测装置；其中，升温装置包括感应加热丝13和温控柜19，感应加热丝13环绕高温波导7设置，并连接至温控柜19，用于对高温波导7进行感应电流加热，以实现对待测材料的升温；冷却装置包括隔热复合材料17和散热金属柱18，依次固定设置于金属棒8的右侧，防止高温的扩散；温度检测装置为温度传感器16，设置于金属短路板15的右侧，用于实时监测待测材料的温度，同时，温度传感器16通过导线外接LED数字显示屏，对温度进行实时的显示；

所述压力测试模块包括施压装置和压力检测装置；所述压力检测装置包括压力传感器9 和压力显示器21，压力传感器9固定设置于散热金属柱18的右侧，压力显示器21与压力传感器9连接，用于显示实时施加压力；施压装置为加压器10，加压器10与压力传感器9相接，用于调节对压力感应器9施加的力，从而准确控制对待测材料施加的力场；

所述主机模块包括电脑1和矢量网络分析仪3；矢量网络分析仪3用于测量材料在终端短路波导中的S参数，电脑1用于控制矢量网络分析仪3自动获取加载待测样品前后测试系统的S参数，并通过算法反演获得待测材料的电磁参数。

实施例1

基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试及方法，包括以下步骤：

步骤1.测试准备工作，调整设备仪器，具体为：

步骤1.1.测试准备工作：检查线路连接，气路，水路状态正常，测试微波信号通路接触良好，仪器设备完备且处于正常关闭状态；

步骤1.2.取出待测样品，对样品做干燥等预处理，然后测量记录样品尺寸，检查样品尺寸是否符合测试的要求；

步骤1.3.将矢量网络分析仪及计算机开启，预热30分钟后，对矢量网络分析仪进行校准；

步骤2.基于终端短路法的介质材料高温复介电常数测量方法，对测试波导的反射系数进行修正，得到待测样品在目标温度和压力下的真实反射系数，具体过程为：

步骤2.1.将矢量网络分析仪连接好波导，波导中未放置待测材料，将波导加温加压至目标值，待温度稳定后，测量得到空置下的反射系数S_11h空；

步骤2.2.波导中放置待测材料，将波导加温加压至目标值，待温度和压力稳定后，测量得到材料的反射系数S_11h；

步骤2.3.对步骤2所测得的反射系数S_11h进行修正，修正之后反射系数S₁₁为：

其中，|S₁₁|为修正之后反射系数S₁₁的模，θ_S11为修正之后反射系数S₁₁的相位；

步骤3.终端短路法实现材料测试的原理是通过矢量网络分析仪测量放置有待测样品的矩形波导单端口反射系数，然后通过计算，得到材料的复介电常数，因此，由得到的样品实际高温高压下的反射参数反算待测样品在目标温度和压力下的电磁参数，具体过程为：

计算待测材料在波导中的传播常数γ，公式如下：

根据步骤3得到修正之后反射系数S₁₁，则有：

γ＝α+j·β (3)

λ_c＝2a (8)

其中，d为待测样品的厚度，L为整个测试波导长度，包括散热波导5、绝热波导6和高温波导7，a为测试波导的宽边尺寸，c为真空中的光速，β₀为空载波导中的传播常数，λ₀为自由空间中的波长，λ_c为测试波导的截止波长，f₀为工作频率，ρ为输入驻波系数，θ_j为驻波最小点到待测材料输入端的相位，α为衰减常数，β为相位常数；

由以上公式可以得到：

式中，ε′_r为待测介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。

因此，在整个测试过程中，由已知的样品厚度、测试波导的长度、波导宽边尺寸、测试信号的频率等参数，通过测量复反射系数，就可以计算出的待测材料的复介电常数。

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 (7)

1.基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统，其特征在于，包括测试夹具、温度测试模块、压力测试模块和主机模块；

所述测试夹具包括波导转接头4、散热波导5、绝热波导6、高温波导7、金属棒8、填充石英12和金属短路板15；其中，波导转接头4的波导端与散热波导5连接，同轴端与同轴线11连接，用于实现电磁波的匹配传输和模式转换；散热波导5、绝热波导6和高温波导7均为矩形波导，依次固定连接，散热波导5和绝热波导6用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3产生高温损伤；待测微波材料14设置于高温波导内，其左侧为填充石英12，右侧为金属短路板15，金属短路板15右侧固定连接金属棒8；高温波导7和金属短路板15共同对待测微波材料14施加温度场，填充石英12和金属短路板15共同实现对待测样品14施加压力场；

所述温度测试模块包括升温装置、冷却装置和温度检测装置；其中，升温装置包括感应加热丝13和温控柜19，感应加热丝13环绕高温波导7设置，并连接至温控柜19，用于对高温波导7进行感应电流加热，以实现对待测材料的升温；冷却装置包括隔热复合材料17和散热金属柱18，依次固定设置于金属棒8的右侧，防止高温的扩散；温度检测装置为温度传感器16，设置于金属短路板15的右侧，用于实时监测待测材料的温度，同时，温度传感器16通过导线外接LED数字显示屏，对温度进行实时的显示；

所述压力测试模块包括施压装置和压力检测装置；所述压力检测装置包括压力传感器9和压力显示器21，压力传感器9固定设置于散热金属柱18的右侧，压力显示器21与压力传感器9连接，用于显示实时施加压力；施压装置为加压器10，加压器10与压力传感器9相接，用于调节对压力感应器9施加的力，从而准确控制对待测材料施加的力场；

所述主机模块包括电脑1和矢量网络分析仪3；矢量网络分析仪3用于测量材料在终端短路波导中的S参数，电脑1用于控制矢量网络分析仪3自动获取加载待测样品前后测试系统的S参数，并通过算法反演获得待测材料的电磁参数。

2.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，散热波导5和散热金属柱18内设置水冷槽，通过外接水冷箱2，用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3和压力传感器9产生高温损伤。

3.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述散热波导5的材料优选为铝，同时对波导的外部进行加工，使波导表面为排列整齐的鳍片，并对波导的外表面进行发黑处理，提高散热效率。

4.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述绝热波导6采用薄壁低、插损低的导热波导制作。

5.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，高温波导7和金属短路板15的材料均为耐高温且膨胀系数低的金属。

6.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述波导转接头4为同轴-矩形波导模式转换器，其作用是将同轴线中的TEM模式转换形成矩形波导中的TE模式，以达到信号传输完成测试的目的，其工作频段为12.4～19GHz，中心频率为15GHz，驻波比为VSWR<1.2。

7.一种如权利要求1-6任一权利要求所述的基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将波导加温加压至目标值，待温度稳定后，测试未放置待测材料下的反射系数S_11h空；

步骤2.在波导中放置待测材料，将波导加温加压至目标值，待温度和压力稳定后，测量得到材料的反射系数S_11h；

步骤3.对步骤2所测得的反射系数S_11h进行修正，修正之后反射系数S₁₁为：

其中，|S₁₁|为修正之后反射系数S₁₁的模，θ_S11为修正之后反射系数S₁₁的相位；

步骤4.通过对步骤3得到修正之后反射系数S₁₁进行反演，即可得到待测材料的介电常数，具体过程为：

计算待测材料在波导中的传播常数γ，公式如下：

根据步骤3得到修正之后反射系数S₁₁，则有：

γ＝α+j·β (3)

λ_c＝2a (8)

其中，d为待测样品的厚度，L为整个测试波导长度，包括散热波导5、绝热波导6和高温波导7，a为测试波导的宽边尺寸，c为真空中的光速；β₀为空载波导中的传播常数，λ₀为自由空间中的波长，λ_c为测试波导的截止波长；f₀为工作频率，ρ为输入驻波系数，θ_j为驻波最小点到待测材料输入端的相位，α为衰减常数，β为相位常数；

由以上公式可以得到：

式中，ε′_r为待测介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。

Images