CN117517793A - 一种电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统及方法，属于微波测试技术领域。本发明利用渐变型开路同轴谐振腔和压力发生装置，构建电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统，实现对电介质材料在不同压缩量下的介电性能进行测试；同时基于电介质材料在不同压缩量下，腔体谐振频率和品质因素的变化，演算得到电介质材料不同压缩量下的介电性能。本发明测试系统测量结果准确且精度较高；同时，压力装置的玻璃试管上设有刻度值，能够简便、清晰地看出待测材料的压缩量，便于介电性能的反演。
Description
技术领域
本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统及方法。
背景技术
随着航空、航天以及相关军事领域技术的迅猛发展，各式各样飞行器的速度越来越快，飞行器表面因风阻产生的压力将随着速度的增加而成倍增大，在超高速飞行过程中，不可避免会让表面材料发生具有一定压缩量的形变，这对材料在高压环境下的性能提出了更严苛的要求。同时，对于在不同压力环境下具有一定压缩量的电介质材料而言，通常应用在飞行器表面，与通信、遥感信号息息相关，这些信号通常工作在微波毫米波频段。而飞行器表面材料介电性能发生细微的变化，将会引发信号偏转、丢失等问题。即当材料的压缩量发生变化时，其介电性能也会随之发生相应的变化。因此，实现材料在压缩场环境下的介电性能测试，掌握电介质材料在不同压缩量下的介电性能变化信息，对适用于高压变压环境下材料的设计及研制具有极其重大的意义。
针对电介质材料的介电性能测试，按照测试原理可以分为集总参数法、网络参数法和谐振法。每种方法都有对应的适用场景，其中，集总参数法测试最简单，例如，在1996年，国外V.T.Morgan等人，通过电容法测量了牛皮纸在3kPa～336kPa压强下介电性能在低频下的值，其频率主要针对于低频(低于1MHz)；在2012年，陈志雄通过电容法进行了静压力对KTaO3陶瓷材料介电性能影响的研究，测量频率为102-106Hz。但是该方法测试频率低，无法适用于微波、毫米波频段的测试。网络参数法易于实现宽带测量，例如，在2006年，国内侯宪钦等人通过波导法讨论了在X波段下磷酸盐陶瓷材料不同抗弯曲强度时的介电性能。但该方法测试精度相对较低，在测量介电性能的变化量时容易淹没在误差中；同时，网络参数法在每次测试前都需要校准，使得测试操作繁琐。谐振腔法是将待测介质材料放入空腔谐振器中，根据介质材料置入腔体前后谐振频率和品质因数的变化，计算出介质材料的微波复介电常数。由于谐振器的谐振频率和品质因数可较为准确的测量，且一般的品质因数均较高。但目前没有针对压力环境下的谐振腔测试系统。
因此如何搭建测试系统实现对电介质材料不同压缩量下的介电性能的高精度测试，成为了亟待解决的关键问题。
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电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统及方法。本发明利用渐变型开路同轴谐振腔和压力发生装置，构建电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统，实现对电介质材料在不同压缩量下的介电性能进行测试；同时基于电介质材料在不同压缩量下，腔体谐振频率和品质因素的变化，演算得到电介质材料不同压缩量下的介电性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统，包括同轴谐振腔、压力发生装置、矢量网络分析仪和数据处理中心；
所述同轴谐振腔包括两个同轴线和短路板，第一同轴线内导体直径小于第二同轴线内导体直径，第一同轴线外导体内径小于第二同轴线外导体内径，第一同轴线外导体外径等于第二同轴线外导体内径，第一同轴线的内外导体和第二同轴线内外导体分别渐变连接，使得同轴谐振腔的腔体呈“上小下大”；第二同轴线远离第一同轴线的一端设置短路板，形成同轴谐振腔短路端，第一同轴线的远离第二同轴线的一端为开路端；第一同轴线的内导体高度小于外导体高度，内导体底部和外导体底部齐平；两个同轴线的内外导体和短路板均为金属；同轴谐振腔上对称设置两个耦合孔，用于放置耦合探针；
所述压力发生装置包括玻璃试管和活塞，所述玻璃试管的直径使其正好能放置入第一同轴线的外导体内，且玻璃试管底部和第一同轴线内导体顶部接触；待测材料放置于玻璃试管中的底部，所述活塞放置于玻璃试管内，用于通过移动活塞改变玻璃试管内电介质材料的压缩量；
矢量网络分析仪分别与同轴谐振腔的耦合探针和数据处理中心连接，所述数据处理中心用于控制矢量网络分析仪进行测试。
进一步地，所述待测材料为在压力环境下具有一定压缩量的电介质材料。
进一步地，所述玻璃试管设有距离刻度，用于观测移动活塞后电介质材料的压缩量；刻度的零点为玻璃试管内侧的底部。
本发明还提供了基于上述介电性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤1.在玻璃试管内不放置待测材料，测量并记录此时的腔体谐振参数；
步骤2.在玻璃试管内放置待测材料，调整压力发生装置的活塞，移动活塞，对待测材料加压，测量并记录此时的腔体谐振参数，同时记录待测材料压缩后的长度L1；
步骤3.利用步骤1和步骤2记录的长度即可得到待测材料的压缩量Δd1，Δd1＝L0-L1，其中，L0为待测材料零压缩量时的长度；同时，利用步骤1和步骤2记录的腔体谐振参数，通过微扰法公式即可计算得到该压缩量下待测质材料的介电性能。
进一步地，步骤1中腔体谐振参数包括谐振频率和品质因数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明设计的电介质材料不同压缩量下的介电性能的测试系统，能够实现对待测材料在不同压缩量下的介电性能的测试，测量结果准确且精度较高；同时，压力装置的玻璃试管上设有刻度值，能够简便、清晰地看出待测材料的压缩量，便于介电性能的反演。
附图说明
图1为本发明电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统的整体结构示意图。
图2为本发明介电性能测试系统中同轴腔的结构示意图。
图3为本发明介电性能测试系统中压力发生装置的结构示意图。
图4为本发明电介质材料在不同压缩量下的介电性能测试结果图。
图中，1为同轴谐振腔，2为压力发生装置，3为矢量网络分析仪，4为数据处理中心；1-1为第一同轴线，1-2为第二同轴线，1-3为短路板，2-1为玻璃试管，2-2为活塞，2-3为待测材料，2-4为距离刻度。
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。
本发明电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统的整体结构示意图如图1所示，包括同轴谐振腔1、压力发生装置2、矢量网络分析仪3和数据处理中心4。
同轴谐振腔1的结构示意图如图2所示，包括两个同轴线和短路板1-3，第一同轴线1-1内导体直径小于第二同轴线1-2内导体直径，第一同轴线外导体内径小于第二同轴线外导体内径，第一同轴线外导体外径等于第二同轴线外导体内径；第一同轴线的内外导体和第二同轴线内外导体分别渐变连接，第一同轴线内导体和第二同轴线内导体通过剖面为正梯形的圆台段连接，第一同轴线外导体和第二同轴线外导体通过剖面为倒梯形段的空心圆台连接，使得同轴谐振腔的腔体呈“上小下大”；第二同轴线远离第一同轴线的一端设置短路板，形成同轴谐振腔短路端，第一同轴线的远离第二同轴线的一端为开路端；第一同轴线的内导体高度小于外导体高度，内导体底部和外导体底部齐平；两个同轴线的内外导体、短路板和连接段均为金属；同轴谐振腔上对称设置两个耦合孔，用于放置耦合探针；一般耦合孔设置于靠近短路端。
压力发生装置2的结构示意图如图3所示，包括玻璃试管2-1和活塞2-2，所述玻璃试管的直径略小于第一同轴线的外导体内径，使其正好能放置入第一同轴线的外导体内，玻璃试管壁与外导体内壁贴合，且玻璃试管底部和第一同轴线内导体顶部接触；待测材料放2-3置于玻璃试管中的底部，所述活塞放置于玻璃试管内，用于通过移动活塞改变玻璃试管内电介质材料的压缩量；玻璃试管设有距离刻度2-4，用于观测移动活塞后电介质材料的压缩量；刻度的零点为玻璃试管内侧的底部；
矢量网络分析仪分别与同轴谐振腔的耦合探针和数据处理中心连接，所述数据处理中心用于控制矢量网络分析仪进行测试。
实施例1
本发明还提供了基于上述介电性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤1.在玻璃试管内不放置待测材料，测量并记录此时的腔体谐振参数，谐振参数包括谐振频率和品质因数；
步骤2.在玻璃试管内放置待测材料，调整压力发生装置的活塞，移动活塞，对待测材料加压，测量并记录此时的腔体谐振参数，同时记录待测材料压缩后的长度L1；
步骤3.利用步骤1和步骤2记录的长度即可得到待测材料的压缩量Δd1，Δd1＝L0-L1，其中，L0为待测材料零压缩量时的长度；同时，利用步骤1和步骤2记录的腔体谐振参数，通过微扰法公式即可计算得到该压缩量下待测质材料的介电性能。
同时，若在玻璃试管内放置待测材料，调整压力发生装置的活塞，使待测材料刚好保持自然伸长状态，测量并记录此时的腔体谐振参数，同时记录待测材料零压缩量时的长度L0；结合步骤1记录的谐振参数，通过微扰法公式即可计算得到零压缩量下待测质材料的介电性能。
图4为本发明电介质材料在不同压缩量下的介电性能测试结果图。从图中可以看出，本发明介电性能测试系统在不同压缩量时，其测试得到的S21参数会发生变化，表明本发明装置能够准确实现不同压缩量下的待测材料的介电性能测试。
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 (5)
1.一种电介质材料不同压缩量下的介电性能测试系统，其特征在于，包括同轴谐振腔、压力发生装置、矢量网络分析仪和数据处理中心；
所述同轴谐振腔包括两个同轴线和短路板，第一同轴线内导体直径小于第二同轴线内导体直径，第一同轴线外导体内径小于第二同轴线外导体内径，第一同轴线外导体外径等于第二同轴线外导体内径，第一同轴线的内外导体和第二同轴线内外导体分别渐变连接，使得同轴谐振腔的腔体呈“上小下大”；第二同轴线远离第一同轴线的一端设置短路板，形成同轴谐振腔短路端，第一同轴线的远离第二同轴线的一端为开路端；第一同轴线的内导体高度小于外导体高度，内导体底部和外导体底部齐平；两个同轴线的内外导体和短路板均为金属；同轴谐振腔上对称设置两个耦合孔，用于放置耦合探针；
所述压力发生装置包括玻璃试管和活塞，所述玻璃试管的直径使其正好能放置入第一同轴线的外导体内，且玻璃试管底部和第一同轴线内导体顶部接触；待测材料放置于玻璃试管中的底部，所述活塞放置于玻璃试管内，用于通过移动活塞改变玻璃试管内电介质材料的压缩量；
矢量网络分析仪分别与同轴谐振腔的耦合探针和数据处理中心连接，所述数据处理中心用于控制矢量网络分析仪进行测试。
2.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述待测材料为在压力环境下具有一定压缩量的电介质材料。
3.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述玻璃试管设有距离刻度，用于观测移动活塞后电介质材料的压缩量；刻度的零点为玻璃试管内侧的底部。
4.一种基于如权利要求1-3任一权利要求所述的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.在玻璃试管内不放置待测材料，测量并记录此时的腔体谐振参数；
步骤2.在玻璃试管内放置待测材料，调整压力发生装置的活塞，移动活塞，对待测材料加压，测量并记录此时的腔体谐振参数，同时记录待测材料压缩后的长度L1；
步骤3.利用步骤1和步骤2记录的长度即可得到待测材料的压缩量Δd1，Δd1＝L0-L1，其中，L0为待测材料零压缩量时的长度；同时，利用步骤1和步骤2记录的腔体谐振参数，通过微扰法公式即可计算得到该压缩量下待测质材料的介电性能。
5.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，步骤1中腔体谐振参数包括谐振频率和品质因数。
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