CN117761408A - 一种基于圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置及方法，属于微波测试技术领域。本装置包括圆柱凹型腔，其靠近电容端侧壁对称设有两个矩形孔，用于放置待测样品；电容端设贯穿其底壁的缝隙，通过缝隙减少底壁与待测样品之间的气隙；除此之外，在圆柱凹型腔短路端设置与中心轴相连的半径呈90°夹角的耦合孔，用于设置耦合装置，实现了高频杂模抑制。本发明的装置结构实现了0.5～12GHz高精度材料面外复介电常数测试。
Description
技术领域
本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种基于圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置及方法。
背景技术
随着现代科学发展和工业技术对于材料性能的需求日益严格和复杂，研究人员在研究和制备材料时更加注重从材料的微观特性出发，带动了一大批具有微观特定结构的材料的研发，其中，具有各向异性的材料逐渐崭露头角。具有各向异性的材料典型如压电材料和铁电介质材料，另外陶瓷和晶体材料也常被用于微波电路的基板制备。随着通信频率的上升，材料的各向异性特性体现得更加明显，且当波长变短时受到各向异性的影响变大，因此对材料特性提取精度的要求变高。在射频电路中，介质基板垂直方向的复介电常数影响着信号传输的速度和衰减程度，是无线通信系统和射频电子器件设计中需要考虑的关键参数。因此，在设计微波电路和器件时，如何高精度地测量其面外复介电常数已成为重要研究课题之一。
测量基板材料介电常数的常用方法包括：整板测试法、平行板电容法和带状线谐振器法。其中，整板测试法是将介质基片精确地裁剪成矩形并双面覆铜，其两侧金属面与同轴接头的内外导体相接，由整块覆铜板构成谐振器并进行测试；该方法适用于低频范围，一般低于0.5GHz，其损耗包括介质损耗、导体损耗和辐射损耗，且无法消除边缘电容引起的误差，因此精度不高。平行板电容法是在试样两端加载电极，电极与试样组成新的电容器，通过阻抗测试和电容测量，并基于测量结果计算介电常数；该方法测试频率范围为20Hz至1GHz，会因为气隙和电极极化效应产生较大误差。带状线谐振器法利用待测材料制成带状线谐振器，通过测量谐振频率和品质因数获得介电常数；其适用频率范围为0.5～20GHz，由于导带表面粗糙度会造成信号损耗，该方法要求高的样品平整度，且由于边缘效应等问题误差较大。
通过向圆柱谐振腔中伸入一段金属圆柱便构成了圆柱凹型腔，伸入的金属圆柱端面与圆柱腔底面形成一个电容，该处电场方向垂直于圆柱谐振腔短路面。其结构简单，调谐范围宽，在微波、毫米波领域具有广泛应用，如作为微波速调管、振荡器等。相比于整板测试法、平板电容法以及带状线谐振器法，圆柱凹型腔法的使用频率范围涵盖低频和高频，具有Q值高、样品尺寸小、测试精度高等优势；同时，其在内外导体间隙处电场能量高度局域化集中，该处电场方向单一、场强高，因此圆柱凹型腔能够提供基板面外复介电常数的测量条件，并且在测量样品介电特性时具有高灵敏度。现有技术中利用圆柱凹型腔测量各向异性材料的电磁特性时，往往采用纵向插入样品的方式，从而只能测量平行于电场方向的介电常数。
因此，如何基于圆柱凹型腔设计测试装置，使其能够实现对面外复介电常数的测试，就成为研究重点。
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圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置及方法。本装置包括圆柱凹型腔，其靠近电容端侧壁对称设有两个矩形孔，用于放置待测样品；电容端设置贯穿其底壁的缝隙，通过缝隙减少底壁与待测样品之间的气隙；除此之外，在圆柱凹型腔短路端设置与中心轴相连的半径呈90°夹角的耦合孔，用于设置耦合装置，实现了高频杂模抑制。本发明的装置结构实现了0.5～12GHz频段内的高精度材料面外复介电常数测试。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置，包括圆柱凹型腔、馈电单元和抽真空单元；
所述圆柱凹型腔包括内导体、外导体、电容端和短路端；其中，内导体和外导体同轴，内导体一端与短路端接触，且内导体高度小于外导体高度；电容端底壁设置径向贯穿缝隙，外导体靠近电容端的边缘侧壁对称设置矩形通孔，两个矩形通孔的连线与贯穿缝隙在圆柱凹型腔轴向保持重叠，长条形基板样品通过两个通孔设置在圆柱凹型腔内外导体间隙处；
所述馈电单元包括两个耦合通孔和两个耦合环；两个耦合通孔设置于外导体靠近短路端的侧壁，且两个耦合通孔与圆柱凹型腔中心轴线的连线呈90°夹角，其中一个耦合孔用于放置第一耦合环激励产生谐振，另一个耦合孔用于放置第二耦合环接收装置；
所述抽真空单元包括气室和真空泵，气室中心设置凹槽，内部设置有气道，凹槽尺寸使圆柱凹型腔外导体外壁与凹槽内壁相接触，真空泵通过气道抽取长条形基板样品与圆柱凹型腔底壁之间的气体，使长条形基板样品与圆柱凹型腔底壁完全贴合。
进一步地，贯穿缝隙若为矩形缝隙，其长度与谐振腔外导体内径相同；优选尺寸为长度10.44mm，宽2.9mm。
进一步的，两个耦合环均为金属耦合环，应置于圆柱凹型腔的磁场最强处并让磁力线垂直穿过耦合环。
进一步的，所述圆柱凹型腔外导体内壁和内导体外壁均抛光镀银，以提升谐振腔品质因数。
进一步的，所述矩形通孔视为一个矩形波导，通过设计矩形通孔的尺寸，使矩形波导的截止频率高于主模的工作频率，以减小电场从矩形通孔的泄露。
进一步的，所述长条形片状基板样品宽度应与矩形孔长边相适应，使样品与矩形孔侧边紧密贴合，避免由于晃动导致的样品定位不准，待测样品材料厚度应均匀，以减小由于厚度不均而产生的测量误差，提升测量精度。
进一步的，矩形孔所在位置的磁场最弱，电场最强，壁上电流小，矩形孔对电力线的切断少。
本发明还提供了一种上述测试装置进行基板面外复介电常数测试的方法，包括以下步骤：
步骤1、不放置长条形基板待测样品，测试圆柱凹型腔的空腔谐振频率f0及品质因数Q0；
步骤2、放置长条形基板待测样品，测试圆柱凹型腔放入待测基板样品后的谐振频率fS及品质因数QS；
步骤3、根据插入样品引起的谐振频率偏移和谐振腔品质因数改变，利用微扰公式求出待测材料的复介电常数。
进一步地，步骤3中具体计算公式为：
其中，ε'r为复介电常数εr的实部，ε'r'为复介电常数εr的虚部，VC、VS分别代表空腔和样品体积，αm为待定系数，与场分布有关，可以用模式匹配法推导或者通过仿真得到。
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.由于对介电性能的测试需要在主模TEM00n下进行，其第一高次模为TE11p模，该模式的磁场最强处为对称方向，因此现有技术在腔体两侧对称插入磁激励环的馈电方式容易激励起TE11p模，而本发明采用90°馈电的方式可以有效减弱对第一高次模的激励，能够抑制高频杂模，增加了圆柱凹型腔可用的工作模式，拓宽了基于谐振腔微扰法的圆柱凹型腔测量材料介电常数的频率范围。
2.由于样品存在不平整等各种因素，单纯将待测基板材料插入谐振腔底部，将导致材料与底壁间出现随机位置及形状的气隙，且该气隙无法通过理论确定或消除。因此本发明在圆柱凹型腔底壁上设置缝隙，并配合真空抽气单元，可将待测样品与腔体底壁之间空气抽出，使得样品与底壁内侧完全贴合，从而避免了气隙存在导致的误差，提高了圆柱凹型腔测量材料复介电常数的精确度；同时能够保证样品完全垂直于电场方向，实现了对基板材料面外介电常数的测量。
3.本发明加载待测样品形式采用通过矩形孔直接插入方式，测量时无需反复打开腔体以放取材料，因此谐振腔加工装配完毕后不再打开，同时配合矩形孔的尺寸设计，显著提升了谐振腔的品质因数和装置在测量中的稳定性；同时，矩形孔设置在腔壁磁场最小处，壁上电流较小，设置矩形孔对电力线的切断较少，因此能实现了精度更高的材料测试。
附图说明
图1为本发明面外复介电常数测试装置整体结构示意图。
图2为本发明面外复介电常数测试装置中圆柱凹型腔结构示意图。
图3为本发明面外复介电常数测试装置中圆柱凹型腔电容端加载样品前后的剖面图。
图4为本发明面外复介电常数测试装置中圆柱凹型腔第一高次模TE11p模工作时的磁场分布示意图。
图5为实施例1基于本发明面外复介电常数测试装置测试得到的S21测试曲线。
附图标记：1、圆柱凹型腔，2、矩形通孔，3、缝隙，4、耦合环，5、耦合通孔，6、气室，7、真空泵，8、长条形基板样品，9、底壁。
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。
一种基于圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置，装置整体结构示意图如图1所示，包括圆柱凹型腔1、馈电单元和抽真空单元；
所述圆柱凹型腔的结构示意图如图2所示，包括内导体、外导体、电容端和短路端；其中，内导体和外导体同轴，内导体一端与短路端接触，且内导体高度小于外导体高度，电容端底壁设置径向贯穿矩形缝隙3，其长度与谐振腔外导体内径相同；外导体靠近电容端的边缘侧壁对称位置设置矩形通孔2，两个矩形通孔2的连线与贯穿缝隙3在圆柱凹型腔1轴向保持重叠，所述两个矩形通孔构成一个矩形波导，通过设计两个的尺寸，使矩形波导的截止频率高于主模的工作频率，以减小电场从矩形通孔的泄露；长条形基板样品8通过两个通孔2设置在圆柱凹型腔内外导体间隙处，长条形片状基板样品宽度应与矩形孔长边相适应，使样品与矩形孔侧边紧密贴合，避免由于晃动导致的样品定位不准，待测样品材料厚度应均匀，以减小由于厚度不均而产生的测量误差，提升测量精度；圆柱凹型腔电容端加载样品前后的剖面图如图3所示；
所述馈电单元包括两个耦合通孔5和两个耦合环4；两个耦合通孔5设置于外导体靠近短路端的侧壁，且两个耦合通孔5与圆柱凹型腔1中心轴线的连线呈90°夹角，其中一个耦合孔用于放置第一耦合环4激励产生谐振，另一个耦合孔用于放置第二耦合环4接收装置；两个耦合环均为金属耦合环，应置于磁场最强处并让磁力线垂直穿过耦合环；
所述抽真空单元包括气室6和真空泵7，气室6为中心设置凹槽的圆柱体，凹槽尺寸使圆柱凹型腔外导体外壁与凹槽内壁相接触，圆柱体内部设置有气道(图中未示出)，真空泵7通过气道抽取长条形基板样品8与圆柱凹型腔底壁之间的气体，使长条形基板样品与圆柱凹型腔底壁完全贴合。
本发明面外复介电常数测试装置中圆柱凹型腔第一高次模TE11p模工作时的磁场分布示意图如图4所示。其沿圆周方向分布的整驻波数和沿半径方向磁场分布出现的最大值个数均为1，由此结合图像可看出，磁场强度在沿圆周方向出现两个波腹点，且呈轴对称分布。因此在同一横截面上，两个磁场最强处在同一直径，夹角为180°，若从腔体两侧对称插入磁激励环，该高次模易被激发。
实施例1
一种基于上述测试装置进行基板面外复介电常数测试的方法，包括以下步骤：
步骤1、不放置长条形基板待测样品，测试圆柱凹型腔的空腔谐振频率f0及品质因数Q0；
步骤2、放置长条形基板待测样品，测试圆柱凹型腔放入待测基板样品后的谐振频率fS及品质因数QS；
步骤3、根据插入样品引起的谐振频率偏移和谐振腔品质因数改变，利用微扰公式求出待测材料的复介电常数；
具体计算公式为：
其中，ε'r为复介电常数εr的实部，ε'r'为复介电常数εr的虚部，VC、VS分别代表空腔和样品体积，αm为待定系数，与场分布有关，可以用模式匹配法推导或者通过仿真得到。
本实施例基于本发明面外复介电常数测试装置测试得到的S21测试曲线如图5所示。本圆柱凹型腔空腔在0.5～12GHz频率范围内出现了多个谐振峰，且无杂模干扰，工作性能优良，能够在该频率范围内完成对材料复介电常数的测试。
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 (9)
1.一种基于圆柱凹型腔的面外复介电常数测试装置，其特征在于，包括圆柱凹型腔、馈电单元和抽真空单元；
所述圆柱凹型腔包括内导体、外导体、电容端和短路端；其中，内导体和外导体同轴，内导体一端与短路端接触，且内导体高度小于外导体高度；电容端底壁设置径向贯穿缝隙，外导体靠近电容端的边缘侧壁对称设置矩形通孔，两个矩形通孔的连线与贯穿缝隙在圆柱凹型腔轴向保持重叠，长条形基板样品通过两个通孔设置在圆柱凹型腔内外导体间隙处；
所述馈电单元包括两个耦合通孔和两个耦合环；两个耦合通孔设置于外导体靠近短路端的侧壁，且两个耦合通孔与圆柱凹型腔中心轴线的连线呈90°夹角，其中一个耦合孔用于放置第一耦合环激励产生谐振，另一个耦合孔用于放置第二耦合环接收装置；
所述抽真空单元包括气室和真空泵，气室的中心设置凹槽，内部设置有气道，凹槽尺寸使圆柱凹型腔外导体外壁与凹槽内壁相接触，真空泵通过气道抽取长条形基板样品与圆柱凹型腔底壁之间的气体，使长条形基板样品与圆柱凹型腔底壁完全贴合。
2.如权利要求1所述的面外复介电常数测试装置，其特征在于，贯穿缝隙若为矩形缝隙，其长度与谐振腔外导体内径相同；尺寸为长度10.44mm，宽2.9mm。
3.如权利要求1所述的面外复介电常数测试装置，其特征在于，两个耦合环均为金属耦合环，应置于圆柱凹型腔的磁场最强处并让磁力线垂直穿过耦合环。
4.如权利要求1所述的面外复介电常数测试装置，其特征在于，所述圆柱凹型腔外导体内壁和内导体外壁均抛光镀银，以提升谐振腔品质因数。
5.如权利要求1所述的面外复介电常数测试装置，其特征在于，通过设计矩形通孔的尺寸，使矩形波导的截止频率高于主模的工作频率，以减小电场从矩形通孔的泄露。
6.如权利要求1所述的面外复介电常数测试装置，其特征在于，所述长条形片状基板样品宽度应与矩形孔长边相适应，使样品与矩形孔侧边紧密贴合，避免由于晃动导致的样品定位不准；待测样品材料厚度应均匀，以减小由于厚度不均而产生的测量误差，提升测量精度。
7.如权利要求1所述的面外复介电常数测试装置，其特征在于，矩形孔为非辐射孔，所在位置的磁场最弱，电场最强，壁上电流小，矩形孔对电力线的切断少。
8.一种基于如权利要求1-7任一权利要求所述的面外复介电常数测试装置进行基板面外复介电常数测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、不放置长条形基板待测样品，测试圆柱凹型腔的空腔谐振频率f0及品质因数Q0；
步骤2、放置长条形基板待测样品，测试圆柱凹型腔放入待测基板样品后的谐振频率fS及品质因数QS；
步骤3、根据插入样品引起的谐振频率偏移和谐振腔品质因数改变，利用微扰公式求出待测材料的复介电常数。
9.如权利要求8所述的基板面外复介电常数测试的方法，其特征在于，步骤3中具体计算公式为：
其中，ε'r为复介电常数εr的实部，ε'r'为复介电常数εr的虚部，VC、VS分别代表空腔和样品体积，αm为待定系数。
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