CN114994414A - 自由空间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自由空间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。该发明创新地设计了一套新的自由空间终端短路测试系统，同时设计了电磁参数提取算法，能够实现宽频带下对微波材料高温高压联合作用下电磁参数的提取。本发明测试系统能够实现室温～1000℃，压力为0～12.5kPa联合作用下的测试，具有自动化高、测试频带宽、检测方式简便、准确率高等优点。

Description

自由空间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，具体涉及一种基于自由空间终端短路的高温高压下的介电性能测试系统及方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，微波材料被广泛地运用于航空航天、军事设备、医疗器材等众多领域中，例如卫星通信、雷达导航、红外遥感等。作为电磁波重要的传输载体，微波材料不仅可以作为吸波材料，运用于雷达隐身、电视广播、微波暗室等方面，同样可以作为透波材料，运用于天线窗、天线罩等航天航空器件的制作。当飞机、导弹、火箭等航空航天设备高速飞行时，随着飞行速度的逐步加快，空气形成高速气流与设备头部摩擦越来越大，导致头部材料温度和压力急剧上升，而微波材料的介电参数在高温高压环境下是呈现非线性变化的，这将对飞行器天线发送、接收信号产生极大的影响。因此，准确的测试、分析这些微波材料的介电参数在高温高压环境下的变化情况，具有重要的实际意义。

但目前现有的检测技术主要针对于温度场或者压力场单一力场下微波材料的电磁参数提取。如李建桥的论文《材料介电性能自由空间终端短路法变温测试技术研究》中使用自由空间终端短路法对微波材料进行了变温测试，通过设计全新的金属椭球反射面、馈源天线和金属反射板，搭建了高温测试系统，实现了可测试微波波段15GHz～17GHz，可测温度范围为室温～1000℃；但是，该方法只针对于微波材料在温度场下的电磁参数提取。针对于压力场和温度场共同作用下电磁参数提取的研究较少，希尔塞尔的论文《静水压力对聚合物松弛剂介电行为的影响》中研究了偏氟乙烯(VDF)和三氟乙烯(TrFE)的铁电共聚物在不同温度和流体静压力下介电性能的变化趋势和规律，整个测试过程是用计算机控制装置在100Hz-6MHz(HP4192A)和温度为200～390K的频率范围内测量静水压力下的介电响应，氦气被用作压力传递，以1K/min的加热速率进行测量，实现了对铁电共聚物在压力和温度联合场下介电的测量和规律分析，测试频段为在100Hz～6MHz，温度范围为200～390K，测试压力为0.07GPa～0.52GPa，但其测量温度范围为低温，测试频率为低频。

综上，现阶段国内外对微波材料电磁参数提取检测技术主要是在单一温度场介电测试或者低频低温下联合场的介电测试。因此，如何实现高温高压下对微波材料电磁参数提取技术对当下微波材料测试具有重要实际意义。

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自由空间终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法。该发明创新地设计了一套新的自由空间终端短路测试系统，同时设计了电磁参数提取算法，能够实现微波作用下对微波材料高温高压联合作用下电磁参数的提取。本发明系统具有自动化高、测试频带宽、检测方式简便、准确率高等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

自由空间终端短路法高温高压下介电性能测试系统，包括温控柜1、金属支架2、金属板4、加热感应线圈5、散热金属柱6、水冷箱7、金属椭圆反射面8、透波材料板9、发收天线10、温度感应器11、金属支座12、隔热复合材料13、压力传感器14、加压器15、电脑16、矢量网络分析仪17、压力显示仪18、温度显示仪19；

所述金属支架2为两个竖直、平行设置的矩形金属支架，透波材料板9水平设置在两个矩形金属支架之间，且两端与两个矩形金属支架固定连接；金属板4、金属支座12、隔热复合材料13、散热金属柱6和压力传感器14从上之下依次固定连接设置，且位于透波材料板9中心的竖直下方；金属板4与透波材料板9之间的间隙用于放置待测微波材料；金属支座12上设置加热感应线圈5，加热感应线圈5与温控柜1连接，温控柜1输出低压高电流，用于通过感应加热法对金属板4和金属支座5实现加热，从而对待测微波材料进行温度控制；散热金属柱6内设置水冷槽，通过水管外接水冷箱7，用于降低温度，防止高温对压力传感器14造成损坏；温度感应器11设置于金属板4上，并通过导线连接温度显示仪19，用于对待测微波材料的温度进行实时的测量与读取；压力传感器14设置于散热金属柱6和加压器15之间，并与压力显示器19连接，用于实时地读取待测微波材料上施加的力的大小；加压器15包括金属支撑架和加压螺丝，金属支撑架用于固定支撑压力传感器14，加压螺丝用于通过旋进对压力传感器14加压；

所述收发天线10通过同轴电缆与矢量网络分析仪相连接，金属椭圆反射面8用于聚焦收发天线10发射和接收的电磁波，并使发射的电磁波在待测微波材料3表面近似为均匀平面波；收发天线10和金属椭圆反射面8均设置于透波材料板9的上方；矢量网络分析仪17用于测量待测微波材料在自由空间中的S参数，工控机16用于控制网络分析仪，实现对材料的自动测量，以及通过S参数计算得到待测材料的电磁参数。

进一步地，收发天线9为双模喇叭天线或波纹喇叭天线，能实现超宽带范围的测试。

进一步地，透波材料板9的材料为石英，由于石英具有耐高温、硬度大、损耗低的特点，既可以实现电磁波较低损耗的通过，又可以实现在高温下对待测材料施加力场。

进一步地，待测微波材料3应按照标准尺寸制作，具体尺寸长宽高分别为200mm×200mm×2mm，同时，待测微波材料表面应光滑平整，以满足均匀平面波传播方向与待测微波材料表面垂直。

进一步地，所述金属板4和金属支座12由高温金属制成，确保待测微波材料被加热到1000℃以上时，不发生氧化；金属椭圆反射面8的材料为黄铜，其焦平面与待测微波材料平面重合。

本发明还提供基于上述介电性能测试系统进行介电常数测试的方法，包括以下步骤：

步骤1.调整测试系统，进行测试准备；

步骤2.对测试系统进行SOL(Short-Open-Load)校准，包括常温校准和高温校准，校准后使用测试系统进行测试，得到待测微波材料在目标温度和压力下的真实反射系数，因为高温对S参数影响较大，压力对S参数影响可以忽略不计；

步骤3.由步骤2得到的待测微波材料的真实反射系数反演得到待测微波材料在目标温度和压力下的介电常数。

进一步的，步骤1中调整测试系统具体包括以下步骤：

步骤1.1.调整金属板5位置，使金属板平面与收发天线9的焦平面上相重合，且均与平面波的传播方向垂直；

步骤1.2.调节收发天线空间位置，使收发天线的反射参数S₁₁高于-30dB；

步骤1.3.在矢量网络分析仪中设置测试参数，参数具体数值根据实际需求进行设置，测试参数具体包括测试频率带宽、中频带宽等参数。

进一步的，步骤2的具体过程为：

步骤2.1.对测试系统进行常温SOL校准，并记录常温校准下的单端口短路反射参数

单端口开路反射参数

单端口匹配反射参数

步骤2.2.将金属反射板放置于收发天线的焦平面处，然后进行加热，利用矢量网络分析仪测得所需温度点下单端口短路反射参数

步骤2.3.将金属反射板置于收发天线的焦平面处，紧贴金属反射板上侧放置待测材料并进行加热，利用矢量网络分析仪测得步骤2.2所需温度点和所需压力下单端口反射参数S_11M；

步骤2.4.利用校准数据和测试数据，得到待测材料在目标温度和压力下实际的反射参数S_11A，计算公式如下：

进一步地，步骤3由真实反射参数S_11A反演得到介电常数的具体过程为：

其中，z是待测微波材料相对于自由空间波阻抗的归一化值，β是待测微波材料的相位常数，d为待测微波材料的厚度；

对于非磁性材料，归一化的波阻抗可由下式求出，

相位常数β由下式给出

其中，λ是自由空间的波长；

因此，即可得到待测微波材料在高温高压下的介电常数ε_r。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明基于自由空间终端短路法，通过创新性地设计测试系统，使得能够测量待测材料在高温高压联合作用下的介电性能；相比较与其它的谐振法测量微波材料介电的方法，自由空间终端短路法通过测量前的校准，将电磁波在自由空间和透波材料带来的损耗校准为零，可以较为准确的测量损耗较大的微波材料；同时，测试过程中力场方向和电磁波传播方向同向，本发明测试系统能够实现室温～1000℃，压力为0～12.5kPa联合作用下的微波频段的介电常数测试。

附图说明

图1为本发明自由空间终端短路法高温高压下介电性能测试系统的结构示意图；

其中，1是温控柜、2是金属支架、3是待测样品、4是金属板、5是加热感应线圈、6是散热金属柱、7是水冷箱、8是金属椭圆反射面、9是透波材料板、10是发收天线、11是温度感应器、12是金属支座、13是隔热复合材料、14是压力传感器、15是加压器、16是电脑、17是矢量网络分析仪、18是压力显示仪、19温度显示仪。

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。

自由空间终端短路法高温高压下介电性能测试系统，其结构示意图如图1所示，包括温控柜1、金属支架2、金属板4、加热感应线圈5、散热金属柱6、水冷箱7、金属椭圆反射面8、透波材料板9、发收天线10、温度感应器11、金属支座12、隔热复合材料13、压力传感器14、加压器15、电脑16、矢量网络分析仪17、压力显示仪18、温度显示仪19；

所述金属支架2为两个竖直、平行设置的矩形金属支架，透波材料板9水平设置在两个矩形金属支架之间，且两端与两个矩形金属支架固定连接；金属板4、金属支座12、隔热复合材料13、散热金属柱6和压力传感器14从上之下依次固定连接设置，且位于透波材料板9中心的竖直下方；金属板4与透波材料板9之间的间隙用于放置待测微波材料；金属支座12上设置加热感应线圈5，加热感应线圈5与温控柜1连接，温控柜1输出低压高电流，用于通过感应加热法对金属板4和金属支座5实现加热，从而对待测微波材料进行温度控制；散热金属柱6内设置水冷槽，通过水管外接水冷箱7，用于降低温度，防止高温对压力传感器14造成损坏；温度感应器11设置于金属板4上，并通过导线连接温度显示仪19，用于对待测微波材料的温度进行实时的测量与读取；压力传感器14设置于散热金属柱6和加压器15之间，并与压力显示器19连接，用于实时地读取待测微波材料上施加的力的大小；加压器15包括金属支撑架和加压螺丝，金属支撑架用于固定支撑压力传感器14，加压螺丝用于通过旋进对压力传感器14加压；

所述收发天线10通过同轴电缆与矢量网络分析仪相连接，金属椭圆反射面8用于聚焦收发天线10发射和接收的电磁波，并使发射的电磁波在待测微波材料3表面近似为均匀平面波；收发天线10和金属椭圆反射面8均设置于透波材料板9的上方；矢量网络分析仪17用于测量待测微波材料在自由空间中的S参数，工控机16用于控制网络分析仪，实现对材料的自动测量，以及通过S参数计算得到待测材料的电磁参数。

实施例1

一种基于自由空间终端短路法高温高压下介电性能测试系统进行介电常数测试的方法，包括以下步骤：

步骤1.调整测试系统，进行测试准备，具体为：

步骤1.1.调整金属板位置上，使金属板平面与天线的焦平面上相重合，与均与平面波的传播方向垂直；

步骤1.2.将金属板放置于天线的焦平面处，调节天线空间位置，使天线的反射参数S₁₁高于-30dB；

步骤1.3.在矢量网络分析仪中设置好测试频率带宽、中频带宽等参数；

步骤2.对自由空间终端短路法复介电常数测试系统进行SOL校准，校准后使用测试系统进行测试，得到待测微波材料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天线，对整套自由终端短路系统进行常温SOL校准，并记录常温校准数据下的单端口短路反射参数

单端口开路反射参数

单端口匹配反射参数

步骤2.2.把金属板放置于天线焦平面处并进行加热，利用矢量网络分析仪测得所需温度点下单端口短路反射参数

步骤2.3.将所述金属反射板置于焦平面处,紧贴金属反射板上侧放置待测材料并进行加热,利用矢量网络分析仪测得步骤2.2所述所需温度点和所需压力下单端口反射参数S_11M；

步骤2.4.利用校准数据和测试数据，可以计算得到待测材料在目标温度和压力下实际的反射参数S_11A，计算方式如下：

步骤3.由步骤2得到的待测微波材料的真实反射系数反演得到待测微波材料在目标温度和压力下的介电常数，具体过程为：

在自由空间和样品接口的复反射系数S通过下式给出

其中，z是待测材料相对于自由空间波阻抗的归一化值，β是待测材料的相位常数，d为待测微波材料的厚度；

对于非磁性材料，归一化的波阻抗可由下式求出

相位常数β由下式给出，

其中，λ是自由空间的波长；

因此，样品的介电常数ε_r可以基于复反射系数反演得到。

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 (9)

1.自由空间终端短路法高温高压下介电性能测试系统，其特征在于，包括温控柜1、金属支架2、金属板4、加热感应线圈5、散热金属柱6、水冷箱7、金属椭圆反射面8、透波材料板9、发收天线10、温度感应器11、金属支座12、隔热复合材料13、压力传感器14、加压器15、电脑16、矢量网络分析仪17、压力显示仪18、温度显示仪19；

所述金属支架2为两个竖直、平行设置的矩形金属支架，透波材料板9水平设置在两个矩形金属支架之间，且两端与两个矩形金属支架固定连接；金属板4、金属支座12、隔热复合材料13、散热金属柱6和压力传感器14从上之下依次固定连接设置，且位于透波材料板9中心的竖直下方；金属板4与透波材料板9之间的间隙用于放置待测微波材料；金属支座12上设置加热感应线圈5，加热感应线圈5与温控柜1连接，温控柜1输出低压高电流，用于通过感应加热法对金属板4和金属支座5实现加热，从而对待测微波材料进行温度控制；散热金属柱6内设置水冷槽，通过水管外接水冷箱7，用于降低温度，防止高温对压力传感器14造成损坏；温度感应器11设置于金属板4上，并通过导线连接温度显示仪19，用于对待测微波材料的温度进行实时的测量与读取；压力传感器14设置于散热金属柱6和加压器15之间，并与压力显示器19连接，用于实时地读取待测微波材料上施加的力的大小；加压器15包括金属支撑架和加压螺丝，金属支撑架用于固定支撑压力传感器14，加压螺丝用于通过旋进对压力传感器14加压；

所述收发天线10通过同轴电缆与矢量网络分析仪相连接，金属椭圆反射面8用于聚焦收发天线10发射和接收的电磁波，并使发射的电磁波在待测微波材料3表面近似为均匀平面波；收发天线10和金属椭圆反射面8均设置于透波材料板9的上方；矢量网络分析仪17用于测量待测微波材料在自由空间中的S参数，工控机16用于控制网络分析仪，实现对材料的自动测量，以及通过S参数计算得到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，收发天线9为双模喇叭天线或波纹喇叭天线。

3.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，透波材料板9的材料为石英。

4.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，待测微波材料3应按照标准尺寸制作，具体尺寸长宽高分别为200mm×200mm×2mm，同时，待测微波材料表面应光滑平整，以满足均匀平面波传播方向与待测微波材料表面垂直。

5.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述金属板4和金属支座12由高温金属制成，确保待测微波材料被加热到1000℃以上时，不发生氧化；金属椭圆反射面8的材料为黄铜，其焦平面与待测微波材料平面重合。

6.一种基于如权利要求1-5任一权利要求所述的介电性能测试系统进行介电常数测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.调整测试系统，进行测试准备；

步骤2.对测试系统进行SOL校准，包括常温校准和高温校准，校准后使用测试系统进行测试，得到待测微波材料在目标温度和压力下的真实反射系数；

步骤3.由步骤2得到的待测微波材料的真实反射系数反演得到待测微波材料在目标温度和压力下的介电常数。

7.如权利要求6所述的介电常数测试的方法，其特征在于，步骤1中调整测试系统具体包括以下步骤：

步骤1.1.调整金属板5位置，使金属板平面与收发天线9的焦平面上相重合，且均与平面波的传播方向垂直；

步骤1.2.调节收发天线空间位置，使收发天线的反射参数S₁₁高于-30dB；

步骤1.3.在矢量网络分析仪中设置测试参数，参数具体数值根据实际需求进行设置，测试参数具体包括测试频率带宽和中频带宽。

8.如权利要求6所述的介电常数测试的方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：

步骤2.1.对测试系统进行常温SOL校准，并记录常温校准下的单端口短路反射参数

单端口开路反射参数

单端口匹配反射参数

步骤2.2.将金属反射板放置于收发天线的焦平面处，然后进行加热，利用矢量网络分析仪测得所需温度点下单端口短路反射参数

步骤2.3.将金属反射板置于收发天线的焦平面处，紧贴金属反射板上侧放置待测材料并进行加热，利用矢量网络分析仪测得步骤2.2所需温度点和所需压力下单端口反射参数S_11M；

步骤2.4.利用校准数据和测试数据，得到待测材料在目标温度和压力下实际的反射参数S_11A，计算公式如下：

9.如权利要求6所述的介电常数测试的方法，其特征在于，步骤3由真实反射参数S_11A反演得到介电常数的具体过程为：

其中，z是待测微波材料相对于自由空间波阻抗的归一化值，β是待测微波材料的相位常数，d为待测微波材料的厚度；

对于非磁性材料，归一化的波阻抗可由下式求出，

相位常数β由下式给出

其中，λ是自由空间的波长；

因此，即可得到待测微波材料在高温高压下的介电常数ε_r。

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