CN117825808A - 基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，包括底座和间隔布置在底座上有两个不同波段的球面反射镜，两个所述球面反射镜之间构成双频带开放式的谐振腔，所述球面反射镜的波导法兰上设有频率扩展模块，频率扩展模块通过微波电缆连接矢量网络分析仪；在所述底座上且位于两个所述球面反射镜之间的部位设有滑动座，所述滑动座上设有处于谐振腔的夹具，当被测材料直接放置在夹具上时，谐振腔工作在双凹腔模式，当被测材料通过平面反射镜放置在夹具上时，谐振腔工作在平凹腔模式。本发明能够工作在双波导频段，在扩展测量频率范围的同时，可降低对材料厚度的苛刻要求，实现了材料介电常数实部和损耗正切的宽频准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及材料介电特性测量的技术领域，尤其涉及一种基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置。
背景技术
随着毫米波太赫兹技术的不断发展和高速高频通信需求的不断增加，射频芯片、模组和电子系统的工作频率越来越高。低损耗介质材料如PCB电路板基材、半导体晶圆材料等高频介电特性的准确测量对于材料电磁性能的评价、以及射频器件的设计与制造具有重要意义。
基于矢量网络分析仪的传输/反射方法是目前广泛使用的材料介电特性宽带测量技术。然而，它们的测量频率上限受到波导或同轴空气线夹具尺寸的约束，很难到达毫米波频段。自由空间方法采用喇叭天线作为电磁波的发射和接收装置，虽然能扩展到毫米波太赫兹频段，但是受制于测量系统的动态范围，在测量低损耗介质材料时测量误差较大。传统的谐振腔测量技术比如圆柱闭腔、分离式圆柱谐振腔等，在微波频段可以准确测量低损耗材料的复数介电常数。然而在毫米波太赫兹频段，这些谐振腔的尺寸急剧缩小，不仅对加工精度提出了严苛的考验，其固有的结构也导致腔体的谐振品质因数显著下降，不利于测量低损耗介质。与之相反，开放腔法布里-泊罗谐振腔技术在毫米波频段具有许多优点，具有高品质因数值，模谱稀疏，对被测材料的外形尺寸要求低，尤其适用于低损耗介质材料的宽频带测量。
开放式谐振腔的电磁波耦合馈电方式通常包括同轴环耦合和波导孔耦合两种。同轴环耦合结构频率很难超过110GHz，因此在110GHz以上多采用波导孔耦合方式馈电。传统的波导耦合开放式谐振腔装置由于结构限制仅能工作在单一的波导频段，其测量频率范围受限。此外，对于介电常数较大或厚度较大的样品材料，双凹式开放式谐振腔会出现高阶模式耦合的问题，产生较大的测量误差。
综上所述，在毫米波太赫兹频段传统的材料介电常数测量技术存在测量频率范围较窄，对于低损耗材料测量误差大等问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其能够工作在双波导频段，在扩展测量频率范围的同时，又降低了对材料厚度的苛刻要求，实现了材料介电常数实部和损耗正切的宽频准确测量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，包括底座和间隔布置在底座上有两个不同波段的球面反射镜，两个球面反射镜之间构成双频带开放式的谐振腔，球面反射镜的波导法兰上设有频率扩展模块，频率扩展模块通过微波电缆连接矢量网络分析仪；其中一个球面反射镜上的波导法兰和耦合圆孔针对D波段设计，另一个球面反射镜上的波导法兰和耦合圆孔针对G波段设计；在底座上且位于两个球面反射镜之间的部位设有滑动座，滑动座上设有处于谐振腔的夹具，夹具上设有用于固定被测材料和平面反射镜的压紧结构，当被测材料直接放置在夹具上时，谐振腔工作在双凹腔模式，当被测材料通过平面反射镜放置在夹具上时，谐振腔工作在平凹腔模式；通过在两个球面反射镜上连接频率扩展模块和网络分析仪，实现D波段和G波段测量功能的切换。
本发明能够工作在双波导频段，在扩展测量频率范围的同时，可降低对材料厚度的苛刻要求，实现了材料介电常数实部和损耗正切的宽频准确测量，在双凹腔工作模式下，适用于测试介电常数实部和样品厚度相对小的材料样品；在平凹腔工作模式下，适用于测试电厚度相对大的材料样品。
优选的，夹具具有装配被测材料或平面反射镜的装配孔，被测材料或平面反射镜夹紧布置在装配孔上。
优选的，被测材料与平面反射镜之间夹接，具体的，通过压紧结构连接。
优选的，球面反射镜和平面反射镜均采用黄铜加工制成，表面通过光学抛光后镀有金膜，在110-220GHz频率范围内谐振品质因数大于10万，频率范围内有超过40个以上的可用谐振频点。
优选的，球面反射镜在靠近谐振腔的一侧设有隔离保护罩，隔离保护罩具有两端贯通的通道，一端正对球面反射镜，另一端正对夹具，不仅可以减小环境干扰对测量的影响，而且可以有效抑制高阶谐振模式的影响。
优选的，波导法兰和频率扩展模块之间通过波导E-H阻抗调配器连接，用来改善端口匹配特性，使传输系数模值保持在-35dB以下。此时谐振腔强处于弱耦合状态，以提高谐振品质因数和样品损耗角正切的测量准确度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够工作在双波导频段，在扩展测量频率范围的同时，可降低对材料厚度的苛刻要求，实现了材料介电常数实部和损耗正切的宽频准确测量。
2、其中一个球面反射镜上的波导法兰和耦合圆孔对应D波段标准波导尺寸，另一个球面反射镜上的波导法兰和耦合圆孔对应G波段标准波导尺寸，通过依次在两个球面反射镜上连接频率扩展模块和网络分析仪，实现D波段和G波段测量功能的切换。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明谐振腔处于双凹腔模式时的示意图；
图3是本发明谐振腔处于平凹腔模式时的示意图。
附图标识：1、底座，2、球面反射镜，3、谐振腔，4、频率扩展模块，201、波导法兰，5、微波电缆，6、矢量网络分析仪，202、耦合圆孔，7、滑动座，8、夹具，9、被测材料，10、平面反射镜，801、装配孔，11、隔离保护罩。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示的一种基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，包括底座1和间隔布置在底座1上有两个不同波段的球面反射镜2，在一些实施例中，其中一个球面反射镜2上的波导法兰201和耦合圆孔202针对D波段设计，另一个球面反射镜2上的波导法兰201和耦合圆孔202针对G波段设计；两个球面反射镜2之间构成双频带开放式的谐振腔3，球面反射镜2的波导法兰201上设有频率扩展模块4，频率扩展模块4通过微波电缆5连接矢量网络分析仪6，通过在两个球面反射镜2上连接频率扩展模块4和矢量网络分析仪6，实现D波段和G波段测量功能的切换；
在底座1上且位于两个球面反射镜2之间的部位设有滑动座7，滑动座7上设有处于谐振腔3的夹具8，夹具8上设有用于固定被测材料9和平面反射镜10的压紧结构，在具体测量时，当被测材料9直接放置在夹具8上时，谐振腔3工作在双凹腔模式，当被测材料9通过平面反射镜10放置在夹具8上时，谐振腔3工作在平凹腔模式。本发明能够工作在双波导频段，在扩展测量频率范围的同时，可降低对材料厚度的苛刻要求，实现了材料介电常数实部和损耗正切的宽频准确测量。在双凹腔工作模式下，适用于测试介电常数实部和样品厚度相对小的材料样品；在平凹腔工作模式下，适用于测试电厚度相对大的材料样品。
作为上述实施例的优选方案，夹具8具有装配被测材料9或平面反射镜10的装配孔801，被测材料9或平面反射镜101夹紧布置在装配孔801上。
作为上述实施例的优选方案，被测材料9与平面反射镜10之间夹接，具体的，通过压紧结构连接。
作为上述实施例的优选方案，球面反射镜2和平面反射镜10均采用黄铜加工制成，表面通过光学抛光后镀有金膜，在(110-220GHz)频率范围内谐振品质因数大于10万，频率范围内有超过40个以上的可用谐振频点。
作为上述实施例的优选方案，球面反射镜2在靠近谐振腔3的一侧设有隔离保护罩11，隔离保护罩11具有两端贯通的通道，一端正对球面反射镜2，另一端正对夹具8，不仅可以减小环境干扰对测量的影响，而且还可以有效抑制高阶谐振模式影响。
作为上述实施例的优选方案，波导法兰201和频率扩展模块4之间通过波导E-H阻抗调配器连接，波导E-H阻抗调配器用来改善端口匹配特性，使传输系数模值保持在-35dB以下，此时谐振器3处于弱耦合状态，以提高谐振品质因数和样品损耗角正切的测量准确度。
本发明公开的基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置在进行测量时，采用的是固定腔长法，即利用网络分析仪扫频模式，在两块反射镜之间距离不变的前提下，测量材料放置前后腔体谐振频率和谐振品质因数的变化，基于高斯波束傍轴理论反演计算出样品的介电常数实部和损耗角正切。
具体的，当谐振腔3工作在双凹腔模式时，测量步骤如下：
S1：测量被测材料9的厚度，多次测量求平均值t；
S2：将矢量网络分析仪6通过频率扩展模块4和微波电缆5与谐振腔3的球面反射镜2相连，矢量网络分析仪6接通电源并预热半小时；
S3：设置矢量网络分析仪6的起止频率、扫描点数、中频带宽，设置测量显示为传输系数模值；
S4：调节滑动座7的位置，使夹具8位于谐振腔3的物理中心位置；
S5：根据球面反射镜2曲率半径和腔长数据，计算双凹腔模式的空腔谐振频率理论值，结合传输系数的扫频测量数据，识别多个工作谐振频点，依次测量得到空腔的谐振频率和谐振品质因数Q0；
S6：将被测材料9放入夹具8，并通过滑动座7调节位置，使谐振频率变化至最小，对应电场最大的位置即谐振腔3的电学中心，测量此时的谐振频率和品质因数QL；
S7：根据下式求解计算得到被测材料9的介电常数实部εr′：
式中：
d＝(D-t)/2
其中，n为被测材料9折射率，k为谐振腔内电磁波的波数；t为被测材料9厚度；R0为谐振腔凹面反射镜曲率半径；D为谐振腔腔体长度。
被测材料9损耗正切值tanδ可以由开放式谐振腔在被测材料9加载前后品谐振质因数的变化计算得到，计算公式如下：
式中：
其中，QL为加载被测样品后谐振腔的有载品质因数；Q0为空腔的有载品质因数；
S8：扫频到下一谐振频率，通过上述步骤测量其他工作频点处的介电常数实部和损耗角正切值。
当谐振腔3工作在平凹腔模式时，测量步骤如下：
S1：测量被测材料9的厚度，多次测量求平均值t；
S2：将矢量网络分析仪6通过频率扩展模块4和微波电缆5与谐振腔3的球面反射镜2相连，矢量网络分析仪6接通电源并预热半小时；
S3：设置矢量网络分析仪6的起止频率、扫描点数、中频带宽，设置测量显示为传输系数模值；
S4：根据球面反射镜2的曲率半径和腔长数据，计算平凹腔模式的空腔谐振频率理论值，结合传输系数的扫频测量数据，识别多个工作谐振频点，依次测量得到空腔的谐振频率和谐振品质因数Q0；
S5：将被测材料9放入夹具8中并固定在平面反射镜10上，测量此时的谐振频率和品质因数QL；
S6：根据下式求解计算得到被测材料9的介电常数实部εr′：
式中：
d＝D-t
其中，n为被测样品折射率，k为谐振腔内电磁波的波数；t为被测样品厚度；R0为谐振腔凹面反射镜曲率半径；D为谐振腔腔体长度。
被测材料9的损耗正切值tanδ可以由开放式谐振腔在被测材料9加载前后谐振品质因数的变化计算得到，计算公式如下：
式中：
其中，QL为加载被测样品后谐振腔的有载品质因数；Q0为空腔的有载品质因数；n为被测材料9折射率；k为谐振腔内电磁波的波数；t为被测材料9厚度；D为谐振腔腔体长度；
S8：扫频到下一谐振频率，通过上述步骤测量其他工作频点处的介电常数实部和损耗角正切值。
当然，本发明还可有其它多种实施方式(比如本发明中的双频段开放式谐振腔，还可以扩展到其他毫米波波导频段)，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其特征在于，包括底座(1)和间隔布置在底座(1)上有两个不同波段的球面反射镜(2)，两个所述球面反射镜(2)之间构成双频带开放式的谐振腔(3)，所述球面反射镜(2)的波导法兰(201)上设有频率扩展模块(4)，频率扩展模块(4)通过微波电缆(5)连接矢量网络分析仪(6)；
在所述底座(1)上且位于两个所述球面反射镜(2)之间的部位设有滑动座(7)，所述滑动座(7)上设有处于谐振腔(3)的夹具(8)，夹具(8)上设有用于固定被测材料(9)和平面反射镜(10)的压紧结构，当被测材料(9)直接放置在夹具(8)上时，谐振腔(3)工作在双凹腔模式，当被测材料(9)通过平面反射镜(10)放置在夹具(8)上时，谐振腔(3)工作在平凹腔模式。
2.根据权利要求1所述的基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其特征在于，所述夹具(8)具有装配被测材料(9)或平面反射镜(10)的装配孔(801)，被测材料(9)或平面反射镜(10)夹紧布置在装配孔(801)上。
3.根据权利要求1所述的基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其特征在于，所述被测材料(9)与平面反射镜(10)之间夹接。
4.根据权利要求1所述的基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其特征在于，所述球面反射镜(2)和平面反射镜(10)均采用黄铜加工制成，表面通过光学抛光后镀有金膜，在110-220GHz频率范围内谐振品质因数大于10万，频率范围内有超过40个以上的可用谐振频点。
5.根据权利要求1所述的基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其特征在于，所述球面反射镜(2)在靠近谐振腔(3)的一侧设有隔离保护罩(11)，隔离保护罩(11)具有两端贯通的通道，一端正对球面反射镜(2)，另一端正对夹具(8)。
6.根据权利要求1所述的基于开放式谐振腔的双频带材料介电特性测量装置，其特征在于，所述波导法兰(201)和频率扩展模块(4)之间通过波导E-H阻抗调配器连接。
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