CN115932412A - 低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统及方法，属于微波、毫米波介质材料测试技术领域。该测试系统结合了准光腔和矩形谐振腔，通过矩形谐振腔控制输入激励信号大小调整低损材料位置处的电场强度大小，以此来模拟外部环境；通过准光腔法来测试待测材料的毫米波段介电性能，避免了激励信号与测试信号之间的模式干扰、测试时矢量网络分析仪中频段跨度大等问题，大大提高了测试的准确性；同时，本发明设计的介电测试系统具有测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低的特点。

Description

低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统及方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波介质材料测试技术领域，具体涉及低频微波电场作用下低损材料在毫米波介电测试系统及方法。

背景技术

微波电磁材料是当前材料科学的重要组成部分，被广泛应用在毫米波通信、雷达制导、电子武器等领域。其中，低损电磁材料因其应用范围广，在介质波导、同轴线中介质块、电路基片、天线罩等微波器件中均有使用，因此属于微波电磁材料的重要分支之一。随着技术的发展，低损材料在毫米波器件领域的应用越来越多，同时，介电常数是描述低损材料特性最基本的参量之一。若在选择低损材料前，可以预先掌握其介电性能并进行针对性设计，则可以有效的保证毫米波器件的性能。

随着通信和物联网应用的快速发展，各式各样的小型化、低功耗基站将会密布在未来的无线通信系统中，空间电磁辐射的电磁能量会逐年增加；但毫米波器件容易受到外界电磁干扰影响，影响器件的稳定性和安全性。因此，如何实现在与外界空间等效的低频微波电场环境下对低损材料在毫米波波段的介电的测试就显得尤为重要。

目前，低损材料常常用谐振腔法来进行介电性能测试，但在低频微波电场环境下对低损材料的介电常数进行毫米波频段测试的研究很少。电子科技大学李恩团队(高勇.典型材料高功率下微波介电特性研究[D].电子科技大学,2019.)提出利用谐振腔多模特性对低频微波电场作用下材料的介电性能进行测试研究，但是其研究的是低频微波电场作用下材料在低频微波波段介电常数的测试，即产生的微波电场环境与测试材料介电性能的微波信号几乎在同一个频段或者相邻频段。若将测试频段调整为毫米波波段，则会有以下问题：首先，单个谐振腔很难同时覆盖低频到毫米波段；其次，即使通过杂模抑制技术使得单个谐振腔可以同时覆盖低频到毫米波频段，但不同模式之间很容易形成模式干扰问题，对于测试准确性及精度存在一定影响。

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低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统及方法。该测试系统结合了准光腔和矩形谐振腔，通过矩形谐振腔控制输入激励信号大小调整低损材料所在位置的电场强度大小，以此来模拟外部环境；而通过准光腔法，避免了在矩形谐振腔内因激励和测试导致的频段跨度大和模式干扰问题，使得测试结果更加精确。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，包括第一矢量网络分析仪1、第二矢量网络分析仪2、第一隔离器3、功率放大器4、第二隔离器5、定向耦合器6、匹配负载11、微波电探针12、矩形谐振腔13、准光腔球面镜14、第一准光腔同轴耦合环15、第二准光腔同轴耦合环16、石英试管17；

其中，第一隔离器3的输入端、定向耦合器的耦合端口9分别和第一矢量网络分析仪1的两个端口相连，第一隔离器3的输出端与功率放大器4、第二隔离器5和定向耦合器6的输出端口7依次相连，定向耦合器6的输入端8与微波电探针12相连，定向耦合器隔离端口10与匹配负载11相连，微波电探针12设置于矩形谐振腔13一端的腔体内，矩形谐振腔13的另一端腔体内放置顶部开口的石英试管17，石英试管高度与矩形谐振腔的高度相同，且石英试管17设置于矩形谐振腔13靠近另一端的四分之一腔长处；

准光腔球面镜14设置于石英试管17的正上方，且石英试管中心处的法线穿过准光腔球面镜的球心，待测材料18放置于石英试管17底部中心；第一准光腔同轴耦合环15和第二准光腔同轴耦合环16对称设置于准光腔球面镜14上，且第一准光腔同轴耦合环15和第二准光腔同轴耦合环16分别与第二矢量网络分析仪2相连。

进一步地，微波电探针12与定向耦合器的输入端8相连，用于将激励信号注入矩形谐振腔13，定向耦合器的耦合端9与第一矢量网络分析仪1相连，用于对激励入矩形谐振腔的激励信号反射回的信号进行耦合接收，所述定向耦合器6用于准确获取实际注入矩形谐振腔13内的激励信号功率的大小；功率放大器4用于放大激励信号功率；第一隔离器3、第二隔离器5用于降低反射信号对第一矢量网络分析仪1和功率放大器4的影响。

进一步地，所述石英试管17的半径应大于同一高度时高斯波束的束腰半径。

进一步地，所述准光腔球面镜14的表面镀银。

进一步地，所述矩形谐振腔13为标准矩形谐振腔，准光腔球面镜14的中心与石英试管17顶部的距离d₂等于准光腔腔长D与矩形谐振腔的高度d的差值。

本发明还提供基于上述测试系统对低损材料进行介电测试的方法，包括如下步骤：

步骤1.调整准光腔球面镜14的中心与石英试管17顶部之间的距离d₂，在第二矢量网络分析仪2出现谐振峰；

步骤2.固定步骤1中准光腔球面镜14位置，不放置待测材料18进行空腔测试，利用第二矢量网络分析仪2记录此时的空腔谐振频率f₀；

步骤3.将待测材料18放置于石英试管17底部中心处，利用第二矢量网络分析仪2测试待测材料18在特定微波电场强度下的谐振频率f_L；

步骤4.根据步骤3所测得的加载待测材料时的谐振频率f_L及步骤2所测得的空腔谐振频率f₀，计算得到待测材料的介电常数ε_r，其计算过程为，

ε_r＝n²              (4)

其中，R₀为准光腔的曲率半径，t为待测材料的厚度，n为待测样品的折射率，ω₀为准光腔的束腰半径，D为准光腔腔长，c为电磁波传播速度，q为准光腔内谐振电磁场的纵向模式数，k为准光腔加载待测样品时的波数，d₁、d′和s₀均为中间变量。

进一步地，步骤3中微波电场强度可以通过调整第一矢量网络分析仪1的输入功率来改变，微波电场强度和输入功率之间的关系具体为：

调整激励信号频率，使矩形谐振腔工作在TE₁₀₂模式，对于矩形谐振腔TE₁₀₂模，腔内的电磁场分布为:

其中，E₀为低频微波电场强度幅值，Z_TE为TE模的波阻抗，η为自由空间波阻抗，a为矩形谐振腔的长度，d为矩形谐振腔的高度；

若矩形谐振腔内只有腔壁引起的电导损耗，则腔体损耗P_c为：

其中，H_t为腔壁表面的切向磁场分量，b为矩形谐振腔的宽度，R_s为矩形谐振腔表面电阻，λ为谐振时的电磁波工作波长，η为波阻抗；

矩形谐振腔无载时的品质因素Q_c为：

其中，k₁为矩形谐振腔谐振时的波数，ω₀为谐振角频率；

当矩形谐振腔处于谐振状态时，其电场储能W_e等于磁场储能W_m，

其中，ε为矩形谐振腔内的介电常数，

为E_y的共轭，V为矩形谐振腔内体积；

假设激励谐振腔的微波输入功率P_TE102全部注入谐振腔，仅考虑腔壁金属损耗P_c，由品质因数定义有：

联立公式(5)、(6)、(7)、(8)和(9)，可得矩形谐振腔内部、待测材料处电场强度最大值为：

本发明的机理为：本发明通过使用两台矢量网络分析仪，分离了测试信号与电场激励信号，一台矢量网络分析仪在准光腔内激发高频测试信号，另一台矢量网络分析仪在矩形谐振腔内激发低频微波电场，利用矩形谐振腔和准光腔这两个独立兼容的微波器件，进行低频微波电场作用下对低损材料毫米波介电性能测量。准光腔的毫米波测试信号与矩形谐振腔的低频电场互不干扰，从而避免了在单一谐振腔内同时激发低频电场和毫米波测量而导致的激励信号和测试信号频段跨度大、模式干扰的问题。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明创新性地结合矩形谐振腔和准光腔，通过矩形谐振腔来控制待测材料处的电场强度大小，通过准光腔来测试待测材料的毫米波段介电性能，避免了激励信号与测试信号之间的模式干扰、测试时矢量网络分析仪中频段跨度大等问题，大大提高了测试的准确性；同时，本发明设计的介电测试系统具有测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低的特点。

附图说明

图1为本发明低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统的示意图。

图2为本发明介电测试系统中的矩形谐振腔的结构示意图。

其中，1为第一矢量网络分析仪，2为第二矢量网络分析仪，3为第一隔离器，4为功率放大器，5为第二隔离器，6为定向耦合器，7为定向耦合器输出端口，8为定向耦合器输入端口，9为定向耦合器耦合端口，10为定向耦合器隔离端口，11为匹配负载，12为微波电探针，13为矩形谐振腔，14为准光腔球面镜，15为第一准光腔同轴耦合环，16为第二准光腔同轴耦合环，17为石英试管，18为待测材料。

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。

本发明提供一种低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，该系统的整体结构示意图如图1所示，包括第一矢量网络分析仪1、第二矢量网络分析仪2、第一隔离器3、功率放大器4、第二隔离器5、定向耦合器6、匹配负载11、微波电探针12、矩形谐振腔13、准光腔球面镜14、第一准光腔同轴耦合环15、第二准光腔同轴耦合环16和石英试管17；

其中，第一隔离器3的输入端、定向耦合器的耦合端口9分别和第一矢量网络分析仪1相连，第一隔离器3的输出端与功率放大器4、第二隔离器5和定向耦合器6的输出端口7依次相连，定向耦合器6的输入端8与微波电探针12相连，定向耦合器隔离端口10与匹配负载11相连，微波电探针12设置于矩形谐振腔13一端的腔体内，矩形谐振腔13的另一端腔体内放置顶部开口的石英试管17，石英试管高度与矩形谐振腔的高度相同，且石英试管17设置于矩形谐振腔13靠近另一端的四分之一腔长处；矩形谐振腔的结构示意图如图2所示；

定向耦合器输入端8与微波电探针12相连，用于将激励信号注入矩形谐振腔13，定向耦合器耦合端9与第一矢量网络分析仪1相连，用于对激励入矩形谐振腔的激励信号反射回的信号进行耦合接收，所述定向耦合器6用于准确获取实际注入矩形谐振腔13内的激励信号功率的大小；功率放大器4用于放大激励信号功率；第一隔离器3、第二隔离器5用于降低反射信号对第一矢量网络分析仪1和功率放大器4的影响。

准光腔球面镜14设置于石英试管17的正上方，且石英试管中心处的法线穿过准光腔球面镜的球心，待测材料18放置于石英试管17底部中心；第一准光腔同轴耦合环15和第二准光腔同轴耦合环16对称设置于准光腔球面镜14上，且第一准光腔同轴耦合环15和第二准光腔同轴耦合环16分别与第二矢量网络分析仪2相连。

实施例1

一种基于低损材料毫米波介电测试系统对低损材料进行介电测试的方法，包括如下步骤：

步骤1.调整准光腔球面镜14的中心与石英试管17顶部之间的距离d₂，在第二矢量网络分析仪2出现谐振峰或谐振峰明显；

步骤2.固定步骤1中准光腔球面镜14位置，不放置待测材料18进行空腔测试，利用第二矢量网络分析仪2记录此时的空腔谐振频率f₀；

步骤3.将待测材料18放置于石英试管17底部中心处，利用第二矢量网络分析仪2测试待测材料18在特定微波电场强度下的谐振频率f_L；

其中，微波电场强度可以通过调整第一矢量网络分析仪1的输入功率来改变，微波电场强度E_y0max和输入功率P_TE102之间的关系具体为：

调整激励信号频率，使矩形谐振腔工作在TE₁₀₂模式，对于矩形谐振腔TE₁₀₂模，腔内的电磁场分布为:

其中，E₀为低频微波电场强度幅值，Z_TE为TE模的波阻抗，η为自由空间波阻抗，a为矩形谐振腔的长度，d为矩形谐振腔的高度；

若矩形谐振腔内只有腔壁引起的电导损耗，则腔体损耗P_c为：

其中，H_t为腔壁表面的切向磁场分量，b为矩形谐振腔的宽度，R_s为矩形谐振腔表面电阻，λ为谐振时的电磁波工作波长，η为波阻抗；

矩形谐振腔无载时的品质因素Q_c为：

其中，k₁为矩形谐振腔谐振时的波数，ω₀为谐振角频率；

当矩形谐振腔处于谐振状态时，其电场储能W_e等于磁场储能W_m，

其中，ε为矩形谐振腔内的介电常数，

为E_y的共轭，V为矩形谐振腔内体积；

假设激励谐振腔的微波输入功率P_TE102全部注入谐振腔，仅考虑腔壁金属损耗P_c，由品质因数定义有：

联立公式(11)、(12)、(13)、(14)和(15)，可得矩形谐振腔内部、待测材料处电场强度最大值为：

步骤4.根据步骤3所测得的加载待测材料时的谐振频率f_L及步骤2所测得的空腔谐振频率f₀，计算得到待测材料的介电常数ε_r，其计算过程为，

ε_r＝n²              (20)

其中，R₀为准光腔的曲率半径，t为待测材料的厚度，n为待测样品的折射率，ω₀为准光腔的束腰半径，D为准光腔腔长，c为电磁波传播速度，q为准光腔内谐振电磁场的纵向模式数，k为准光腔加载待测样品时的波数，d₁、d′和s₀均为中间变量。

步骤5.改变激励信号功率大小，在待测材料区域获得不同微波电场强度，重复步骤3和步骤4，可获得不同低频微波电场作用下吸波材料毫米波段介电性能。

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.低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，其特征在于，包括第一矢量网络分析仪(1)、第二矢量网络分析仪(2)、第一隔离器(3)、功率放大器(4)、第二隔离器(5)、定向耦合器(6)、匹配负载(11)、微波电探针(12)、矩形谐振腔(13)、准光腔球面镜(14)、第一准光腔同轴耦合环(15)、第二准光腔同轴耦合环(16)和石英试管(17)；

其中，第一隔离器(3)的输入端、定向耦合器的耦合端(9)分别和第一矢量网络分析仪(1)的两个端口相连，第一隔离器(3)的输出端与功率放大器(4)、第二隔离器(5)和定向耦合器(6)的输出端(7)依次相连，定向耦合器(6)的输入端(8)与微波电探针(12)相连，定向耦合器的隔离端(10)与匹配负载(11)相连，微波电探针(12)设置于矩形谐振腔(13)一端的腔体内，矩形谐振腔(13)的另一端腔体内放置顶部开口的石英试管(17)，石英试管高度与矩形谐振腔的高度相同，且石英试管(17)设置于矩形谐振腔(13)靠近另一端的四分之一腔长处；

准光腔球面镜(14)设置于石英试管(17)的正上方，且石英试管中心处的法线穿过准光腔球面镜的球心，待测材料(18)放置于石英试管(17)底部中心；第一准光腔同轴耦合环(15)和第二准光腔同轴耦合环(16)对称设置于准光腔球面镜(14)上，且第一准光腔同轴耦合环(15)和第二准光腔同轴耦合环(16)分别与第二矢量网络分析仪(2)的两端相连。

2.如权利要求1所述的低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，其特征在于，所述微波电探针(12)用于将激励信号注入矩形谐振腔(13)；定向耦合器(6)用于准确获取实际注入矩形谐振腔(13)内的激励信号功率的大小；功率放大器(4)用于放大激励信号功率；第一隔离器(3)、第二隔离器(5)用于降低反射信号对第一矢量网络分析仪(1)和功率放大器(4)的影响。

3.如权利要求1所述的低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，其特征在于，所述石英试管(17)的半径应大于同一高度时高斯波束的束腰半径。

4.如权利要求1所述的低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，其特征在于，所述准光腔球面镜(14)的表面镀银。

5.如权利要求1所述的低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统，其特征在于，所述矩形谐振腔(13)为标准矩形谐振腔，准光腔球面镜(14)的中心与石英试管(17)顶部的距离d₂等于准光腔腔长D与矩形谐振腔的高度d的差值。

6.一种基于如权利要求1-5任一权利要求所述的低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统对低损材料进行介电测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.调整准光腔球面镜的中心与石英试管顶部之间的距离d₂，在第二矢量网络分析仪上出现谐振峰；

步骤2.固定步骤1中准光腔球面镜的位置，不放置待测材料进行空腔测试，利用第二矢量网络分析仪记录此时的空腔谐振频率f₀；

步骤3.将待测材料放置于石英试管底部中心处，利用第二矢量网络分析仪测试待测材料在所需微波电场强度下的谐振频率f_L；

步骤4.根据步骤3所测得的加载待测材料时的谐振频率f_L及步骤2所测得的空腔谐振频率f₀，计算得到待测材料的介电常数ε_r，其计算过程具体为，

ε_r＝n²              (4)

其中，R₀为准光腔的曲率半径，t为待测材料的厚度，n为待测样品的折射率，ω₀为准光腔的束腰半径，D为准光腔腔长，c为电磁波传播速度，q为准光腔内谐振电磁场的纵向模式数，k为准光腔加载待测样品时的波数，d₁、d′和s₀均为中间变量。

7.如权利要求6所述的对低损材料进行介电测试的方法，其特征在于，步骤3中微波电场强度通过调整第一矢量网络分析仪的输入功率来改变，微波电场强度和输入功率之间的关系具体为：

调整激励信号频率，使矩形谐振腔工作在TE₁₀₂模式，对于矩形谐振腔TE₁₀₂模，腔内的电磁场分布为:

其中，E₀为低频微波电场强度幅值，Z_TE为TE模的波阻抗，η为自由空间波阻抗，a为矩形谐振腔的长度，d为矩形谐振腔的高度；

若矩形谐振腔内只有腔壁引起的电导损耗，则腔体损耗P_c为：

其中，H_t为腔壁表面的切向磁场分量，b为矩形谐振腔的宽度，R_s为矩形谐振腔表面电阻，λ为谐振时的电磁波工作波长，η为波阻抗；

矩形谐振腔无载时的品质因素Q_c为：

其中，k₁为矩形谐振腔谐振时的波数，ω₀为谐振角频率；

当矩形谐振腔处于谐振状态时，其电场储能W_e等于磁场储能W_m，

其中，ε为矩形谐振腔内的介电常数，

为E_y的共轭，V为矩形谐振腔内体积；

假设激励谐振腔的微波输入功率P_TE102全部注入谐振腔，仅考虑腔壁金属损耗P_c，由品质因数定义有：

联立公式(5)、(6)、(7)、(8)和(9)，得矩形谐振腔内部、待测材料处电场强度最大值为：

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