CN115616045A - 一种基于电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法 - Google Patents

一种基于电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁带隙结构谐振腔的材料微波介电性能测试方法，属于材料介电性能测试领域。该谐振腔基于传统矩形谐振腔，测试样品为片状样品，腔体内部电磁场模式为TE101，电场方向与样品的厚度方向平行，能够测试厚度方向上介电性能。本发明在每个半腔周围设置一系列周期排布的金属销钉，根据间隙波导和电磁带隙结构的理论，周围的金属销钉构成电磁带隙结构，当缝隙的厚度小于四分之一的工作波长时，通过设置合适的金属销钉的大小、高度和间距，可以有效的抑制电磁波从缝隙向外辐射，从而满足谐振法测试的要求。本发明结构简单、方便测试，腔体品质因数较高，测试精度更为准确；采用分离式设计，取放材料更为方便。

Description

一种基于电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法
技术领域
本发明属于材料介电性能测试技术领域，尤其涉及一种材料介电性能的精确测试方法及研究。
背景技术
介质材料在日常生产生活中有着广泛的应用，随着近几年通信领域的快速发展，其应用的频率范围也逐渐从厘米波向毫米波跨越。由于应用频率的升高，材料介电性能对器件性能的影响也越来越大，并且部分材料具有各向异性，因此准确测试材料在某个方向上的介电性能，是电路设计之初最为关键的一个环节。
传统的矩形谐振腔由金属壁组成，谐振腔四周封闭，电磁波在金属腔内形成谐振。矩形谐振腔结构简单，设计技术成熟。但是由于矩形谐振腔是四面封闭的金属结构，在测试时需要将待测材料制备出大小合适的样品放入谐振腔内部进行封闭测试，并且金属壁的接触情况会对矩形谐振腔的性能产生大的影响，一旦金属壁之间的缝隙过大，会导致谐振腔无法产生正常的谐振模式。
现有的z轴方向测试方法主要有平衡圆盘谐振腔(BCDR)和微带电路谐振器。
平衡圆盘谐振腔，在测试前需要将待测材料制作成两个大小厚度完全相同的圆形片状样品，测试时，在两个样品中间放置一个圆形铜电极，然后将这三个放入圆盘谐振腔中间，用圆盘夹紧。该方法测试时，由于需要两个完全一致的样品，制备起来较为困难，并且测试时需要用金属圆盘将样品夹紧以保证没有空气隙影响，因此不适用于易碎材料和保留铜电极的覆铜板测试。
微带电路谐振器在测试时需要用待测材料制作成微带电路，因此仅限于对容易加工的材料进行测试，并且其适用频率和测试精度都存在短板，无法测试高频率，测试精度较低。
基于此，针对现有z轴方向介电性能测试技术的不足，本发明提供了一种电磁带隙结构谐振腔。
发明内容
本发明的目的在于实现一种电场方向满足z轴测试需求，品质因数高，能够实现快速测试的谐振腔。
为实现上述目的，本发明采用的技术为基于电磁带隙结构的矩形谐振腔，为此，本发明基于间隙波导的理论，设计了一种采用电磁带隙结构的矩形谐振腔。间隙波导由上下两层金属板和金属板之间的电磁带隙结构组成，当上下金属层之间电磁带隙结构的距离小于四分之一工作波长的时候，电磁带隙结构可以有效地阻止电磁波在电磁带隙结构与上面的空气间隙中传播，电磁波只能在电磁带隙结构之间传播。电磁带隙结构由多种形成方式，本发明使用的是在金属板上加工金属销钉的方式来构成电磁带隙结构。
一种基于电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法，具体步骤如下：
步骤1：建立谐振腔谐振特性与样品介电常数和介电损耗之间的关系；
谐振腔的谐振频率与插入样品的介电常数存在关系，谐振腔的品质因数与插入样品的介电损耗存在关系。因此，可以事先通过电磁软件仿真的方式得到一系列不同厚度和介电常数的样品插入谐振腔时谐振参数的变化规律，根据离散的数据点插值得到谐振腔谐振参数随样品介电常数和厚度变化的三维曲面，实际测试时将测试得到的数据代入曲面计算，即可得到待测样品的介电常数和介电损耗。样品介电常数和介电损耗与谐振特性之间的关系如下：
Figure BDA0003913089390000021
Figure BDA0003913089390000022
其中，ε′r为介电常数，tanδ为损耗角正切；f为谐振频率，Q为品质因数，下标0表示空腔状态下的参数，下标s表示加载样品后谐振腔的谐振参数，h为待测样品厚度，Kε和pes是关于ε′r和h的函数。
对于某个具体的谐振腔，Ks和pes可以通过部分ε′r和h对应的值来插值得到。
步骤2：搭建微波测试系统；
该测试系统包括网络分析仪、同轴电缆、电磁带隙结构谐振腔；电磁带隙结构谐振腔通过同轴电缆与网络分析仪连接。
步骤3：测试空腔谐振特性；
将网络分析仪的扫描频率中心设置为谐振腔的设计频率，选取合适的扫描带宽，找到谐振腔的谐振峰，即TE101，得到空腔的谐振频率和品质因数。
步骤3：测试加入样品后谐振腔的谐振特性；
将待测的片状样品水平放置在谐振腔中间的缝隙中，利用网络分析仪找到新的谐振峰，得到加载样品后的谐振频率和品质因数。
步骤4：根据加载样品前后谐振腔的谐振特性计算材料的介电性能；
在已知样品的厚度h以及加载样品前后谐振腔的品质因数和谐振频率后，将各个值代入步骤1的公式中，计算得到材料的介电常数和损耗角正切。
所述步骤3中，待测材料要求表面平整，厚度均匀，厚度不超过测试频率对应波长的四分之一。
所述步骤3中，待测材料的横向尺寸要大于1.5倍长方体长度a，纵向尺寸要大于1.5倍长方体宽度b。
所述步骤3中，待测材料的相对介电常数选区范围为：1～10，损耗角正切选取范围为：0.0001～0.01。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种电磁带隙结构谐振腔介电性能测试方法，通过周期排列的金属销钉包络形成矩形谐振腔，克服了传统矩形谐振腔无法进行开腔测试的缺点，并且设计出的谐振腔品质因数高，能够实现材料z轴方向上介电性能的高精度测试。
附图说明
图1为电磁带隙结构谐振腔的俯视图；
图2为电磁带隙结构谐振腔的剖面图；
图3为测试系统示意图；
图4为28G电磁带隙结构谐振腔示意图；
图5为10G电磁带隙结构谐振腔示意图；
其中，1为网络分析仪，2为同轴线缆，3为电磁带隙谐振腔，4为谐振腔中的金属销钉，5为待测材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明一种基于电磁带隙结构的分离式矩形谐振腔，在金属平板上一系列按周期排布的金属销钉，金属销钉中间的长方形区域构成矩形谐振腔，通过改变金属销钉的形状和大小，可以改变谐振腔所需要的带隙，电磁带隙结构的性能可以通过仿真相应的一维和二维结构得到。在具体设计谐振腔时，销钉尺寸的变大会导致间隙波导的阻带降低，因此随着谐振腔谐振频率的增大，需要减小金属销钉的尺寸，包括其边长和高度；
电磁带隙结构谐振腔的具体设计结构如图1所示，在金属平板上的一个长为a，宽为b的长方形区域，a：b的比值范围为(1:1)～(3:1)，a和b的具体取值大小由谐振腔的设计频率决定，一般的，在谐振腔的频率从1G到39G的范围内，a的取值范围为5mm～40mm，b的取值范围为2mm～20mm，周围用周期排列的金属销钉包围，特别的，在长度为a的方向上，金属销钉的周期数m不小于6，不大于30，在长度为b的方向上，金属销钉的周期数n不小于4，不大于20；金属销钉的大小一致，每个金属销钉的高度为h，h的取值范围为4mm～20mm，金属销钉的截面形状包括但不限于正方形、长方形、圆形，在二维方向上按等间距周期排列，其前后左右相邻的两个销钉的中心距为p，p的取值范围为1mm～20mm；
上述结构为半腔的构造，两个半腔相向放置，如图2所示，中间通过机械结构预留厚度为D的固定缝隙，D的值取决于谐振腔的工作频率，一般地，D的大小为工作波长的四分之一，在装置的中央，由金属销钉包络产生一个长方体，即矩形谐振腔，这是该谐振腔产生谐振的部分，测试时，待测材料的大小需要能够覆盖该部分面积，以上为电磁带隙结构谐振腔的基本构造；
使用该方式设计的谐振腔，其谐振模式遵循矩形谐振腔的谐振规律，测试模式使用的是矩形谐振腔的主模TE10n，该模式的电场集中在谐振腔的中央区域，方向垂直于z轴，腔体的品质因数与传统矩形谐振腔相差无几，以10G腔体为例，传统的矩形谐振腔品质因数在8000左右，使用本方法设计的电磁带隙谐振腔，品质因数在6700左右。本方法克服了传统矩形谐振腔无法开腔测试的缺点，相较于其他z轴方向介电性能测试方法，本方法测试流程更为简洁，测试精度更高。
实施例1
在金属平板上一系列按周期排布的金属销钉，金属销钉中间的长方形区域构成矩形谐振腔，通过改变金属销钉的形状和大小，改变谐振腔所需要的带隙，电磁带隙结构的性能通过仿真相应的一维和二维结构得到，在具体设计谐振腔时，间隙波导的阻带会随销钉尺寸的变大而降低，因此随着谐振腔谐振频率的增大，需要减小金属销钉的尺寸，包括其边长和高度；
电磁带隙结构谐振腔由两个半腔构成，半腔使用电导率高的金属制成，在金属平板的中心位置，是长为a，宽为b的矩形区域，a：b的比值范围为(1:1)～(3:1)，a和b的具体取值大小由谐振腔的设计频率决定，一般的，在谐振腔的频率从1G到39G的范围内，a的取值范围为5mm～40mm，b的取值范围为2mm～20mm，矩形周围由周期性排列的金属销钉包围，在长度为a的方向上，金属销钉的周期数m不小于6，不大于30，在长度为b的方向上，金属销钉的周期数n不小于4，不大于20；金属销钉的大小一致，每个金属销钉的高度为h，h的取值范围为4mm～20mm，金属销钉的截面形状包括但不限于正方形、长方形、圆形，在二维方向上按等间距周期排列，其前后左右相邻的两个销钉的中心距为p，p的取值范围为1mm～20mm；
上述结构为半腔的构造，两个半腔相向放置，中间通过机械结构预留厚度为D的固定缝隙，D的值取决于谐振腔的工作频率，一般地，D的大小为工作波长的四分之一，在装置的中央，由金属销钉包络产生一个长方体，即矩形谐振腔，这是该谐振腔产生谐振的部分，测试时，待测材料的大小需要大于该部分面积的3/2，以上为电磁带隙结构谐振腔的设计模型；
使用该方式设计的谐振腔，其谐振模式遵循矩形谐振腔的谐振规律，测试模式使用的是矩形谐振腔的主模TE101，该模式的电场集中在谐振腔的中央区域，方向垂直于z轴，腔体的品质因数与传统矩形谐振腔相接近，以10G腔体为例，传统的矩形谐振腔品质因数在8000左右，使用本方法设计的电磁带隙谐振腔，品质因数在6700左右，远高于传统的z轴测试方法微带线法。本方法克服了传统矩形谐振腔无法开腔测试的缺点，相较于其他z轴方向介电性能测试方法，本方法测试流程更为简洁，测试精度更高。
本实施例提供了一种28G电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法，如图4所示为其示意图，主要测试仪器为28G电磁带隙结构谐振腔和网络分析仪，测试的材料为0.3mm熔融石英玻璃。(相对介电常数ε′r＝3.8，损耗角正切tanδ＝0.0002)、
28G的电磁带隙谐振腔设计参数如下：中间区域a的大小为18mm，b的大小为8mm，使用的金属销钉其截面边长w为1.5mm，间距p为4mm，长度a方向上的周期数m为9，长度b方向上的周期数为5，缝隙厚度为0.4mm。使用该频率的谐振腔测试步骤如下：
步骤1：建立谐振腔谐振特性与样品介电常数和介电损耗之间的关系；
仿真空腔和加载样品后的谐振特性，并由以下公式对Kε和pes进行插值计算，得到Kε和pes对应三维曲面。
Figure BDA0003913089390000041
Figure BDA0003913089390000042
步骤2：搭建微波测试系统；
该测试系统包括网络分析仪、同轴电缆、电磁带隙结构谐振腔；电磁带隙结构谐振腔通过同轴电缆与网络分析仪连接。
步骤3：测试空腔谐振特性；
将网络分析仪的扫描频率中心设置为28GHz，选取扫描带宽为1G，找到谐振腔的谐振峰，得到空腔的谐振频率28.432GHz和品质因数3912。
步骤4：测试加入样品后谐振腔的谐振特性；
将0.3mm的熔融石英玻璃水平放置在谐振腔中间的缝隙中，利用网络分析仪找到谐振峰，得到加载样品后的谐振频率27.041GHz和品质因数3682。
步骤5：根据加载样品前后谐振腔的谐振特性计算材料的介电性能；
在已知样品的厚度h＝0.3mm以及加载样品前后谐振腔的品质因数和谐振频率后，将各个值输入计算软件，计算得到材料的介电常数和损耗角正切分别为3.78和1.8×10-4，对比标准值，本系统对石英玻璃的测试结果在标准范围内，测试结果可信。
实施例2
本实施例提供了一种10G电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法，如图5所示为其示意图，主要测试仪器为10G电磁带隙结构谐振腔和网络分析仪，测试的材料为1mm熔融石英玻璃。(相对介电常数ε′r＝3.8，损耗角正切tanδ＝0.0002)、
10G的电磁带隙谐振腔设计参数如下：中间区域a的大小为20mm，b的大小为20mm，使用的金属销钉其截面边长w为4mm，间距p为8mm，长度a方向上的周期数m为9，长度b方向上的周期数为9，缝隙厚度为1.5mm。使用该频率的谐振腔测试步骤与实施例1类似。
测试得到谐振腔的空腔谐振腔频率为10.454GHz，品质因数为6248，加载样品后其谐振频率为10.008GHz，品质因数为5920，在已知样品的厚度h＝1mm，将各个值输入计算软件，计算得到材料的介电常数和损耗角正切分别为3.77和1.8×10-4，对比标准值，本系统对石英玻璃的测试结果在标准范围内，测试结果可信。
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意特征，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 (8)

1.一种基于电磁带隙结构谐振腔的材料介电性能测试方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：建立谐振腔谐振特性与样品介电常数和介电损耗之间的关系；
谐振腔的谐振频率与插入样品的介电常数存在关系，谐振腔的品质因数与插入样品的介电损耗存在关系，通过电磁软件仿真的方式得到一系列不同厚度和介电常数的样品插入谐振腔时谐振参数的变化规律，根据离散的数据点插值得到谐振腔谐振参数随样品介电常数和厚度变化的三维曲面，实际测试时将测试得到的数据代入曲面计算，即可得到待测样品的介电常数和介电损耗，样品介电常数和介电损耗与谐振特性之间的关系如下：
Figure FDA0003913089380000011
Figure FDA0003913089380000012
其中，ε′r为介电常数，tanδ为损耗角正切；f为谐振频率，Q为品质因数，下标0表示空腔状态下的参数，下标s表示加载样品后谐振腔的谐振参数，h为待测样品厚度，Kε和pes是关于ε′r和h的函数；
对于某个具体的谐振腔，Kε和pes可以通过部分ε′r和h对应的值来插值得到；
步骤2：搭建微波测试系统；
该测试系统包括网络分析仪、同轴电缆、电磁带隙结构谐振腔；电磁带隙结构谐振腔通过同轴电缆与网络分析仪连接；
步骤3：测试空腔谐振特性；
将网络分析仪的扫描频率中心设置为谐振腔的设计频率，选取扫描带宽为1GHz，找到TE101谐振峰后，以谐振峰频率为中心，缩小扫描带宽，使得谐振腔的3dB带宽范围占整个扫描带宽的2/3，从网络分析仪中读取准确的空腔谐振频率和品质因数；
步骤3：测试加入样品后谐振腔的谐振特性；
将待测的片状样品水平放置在谐振腔中间的缝隙中，利用网络分析仪找到新的谐振峰，读取加载样品后谐振腔的谐振频率和品质因数；
步骤4：根据测试得到的加载样品前后谐振腔的谐振频率和品质因数，通过插值查表的方式计算材料的介电性能；
在已知样品的厚度h以及加载样品前后谐振腔的品质因数和谐振频率后，将各个值代入步骤1的公式中，计算得到材料的介电常数和损耗角正切。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，金属销钉的截面形状包括但不限于正方形、长方形和圆形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，金属销钉的截面大小取决于谐振腔的谐振频率，范围5GHz～110GHz。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，金属销钉的边长在15mm到1mm之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，待测材料要求表面平整，厚度均匀，厚度不超过测试频率对应波长的四分之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，待测材料的横向尺寸要大于1.5倍长方体长度a，纵向尺寸要大于1.5倍长方体宽度b。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，待测材料的相对介电常数选区范围为：1～10。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，待测材料的损耗角正切选取范围为：0.0001～0.01。
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