CN1790040A - 一种圆柱形高q谐振腔及微波电介质复介电常数测试装置 - Google Patents

Abstract

一种圆柱形高Q谐振腔及微波电介质复介电常数测试装置，属于微波测试技术领域。圆柱形高Q谐振腔包括圆柱形腔筒1、上端盖10、下端盖6和两个微波能量耦合装置4，圆柱形腔筒1、上端盖10和下端盖6工作时相互接触，形成一个圆柱形谐振腔，所述上端盖10在圆柱形腔筒1中的位置连续可调，以实现高Q腔的谐振频率连续可调，所述微波能量耦合装置4位于圆柱形腔筒1的两侧。微波电介质复介电常数测试装置包括微波信号源7、本发明的圆柱形高Q谐振腔8、标量网络分析仪9。本发明的圆柱形高Q谐振腔，其腔长连续可调，谐振频率连续可变，尺寸较小，使用方便。因所采用腔体的谐振频率连续可调，可完成微波电介质复介电常数的扫频测试；测试过程快速，结果准确可靠。

Description

一种圆柱形高Q谐振腔及微波电介质复介电常数测试装置

技术领域

一种圆柱形高Q谐振腔及微波电介质复介电常数测试装置，属于微波测试技术领域，特别涉及微波电介质的复介电常数测试技术。

背景技术

微波电介质材料在微波器件、微波系统中的应用极为广泛，在对这些微波介质材料的研制和使用过程中，需要对其电参数即复介电常数进行准确的测量。

当微波电介质为低损耗材料时，通常采用的方法为谐振腔法。所用谐振腔可为带状线谐振器、圆柱形谐振腔、矩形谐振腔、准光腔、螺旋线谐振腔等。对于要求电场极化方向平行于微波电介质样品表面的复介电常数的测试，常采用圆柱形谐振腔，因其Q值较高，且所用的被测微波电介质样品尺寸较小。圆柱形谐振腔法因其品质因数Q较高，又称其为高Q腔。

采用高Q腔法进行微波电介质复介电常数测试时，有两种测试方法，一种为固定谐振频率法，另外一种为固定腔长法。在固定谐振频率法中，腔体的谐振频率在加载微波电介质样品前后为一固定值，通过加载微波电介质样品前后腔体长度和品质因数的变化来计算得到复介电常数。在固定腔长法中，则固定腔体的长度，通过加载微波电介质样品前后谐振频率和品质因数的变化来计算复介电常数。

国标GB/T 5597-1999“固体微波电介质微波复介电常数的测试方法”为高Q腔法对复介电常数的测试提供了测试标准，其中采用的方法为固定谐振频率法，通过改变腔体的长度实现复介电常数测试。在此标准中，其测试精度受移动活塞的稳定度的影响而降低，并且测试速度慢，不能实现自动测试。

文献“Eric J.Vanzura，William A.Kissick.Advances in NIST dielectric measurementcapability using a mode-filtered cylindrical cavity.IEEE MTT-S Digest，1989，p901-904”中利用高Q腔分别采用固定谐振频率法和固定腔长法进行复介电常数的测试。所用高Q腔的结构示意图如图1所示。其中，(1)是圆柱腔筒，(2)是上端盖，(3)是位置可移动的下端盖，(4)是在上端盖2上所开的波导耦合孔，(5)是被测微波电介质样品。通过改变下端盖(3)在圆柱腔筒(1)中的位置，从而改变腔体的长度。文中利用多个TE_01n工作模式，采用固定频率法或固定腔长法测量出被测微波电介质样品(5)在X波段8.2～12.4GHz内复介电常数在宽频带离散频率点上的响应。因所采用的工作模式TE_01n中的n值较高，最高时大于30，使得腔体的长度较长，文中大于400mm，因而腔体的尺寸较大，受外界温度影响增加，需采用保温措施。而且腔筒(1)采用螺旋线波导以滤除非工作模式，使得腔体的加工难度大大增加。

文献“张其劭，李恩，郭高凤.低损耗微波电介质复介电常数宽频带测试技术[A]，电子测量及仪器学术研讨会[C]，2002：30-36.”中采用如图2所示的圆柱形谐振腔结构进行复介电常数的测试，其结构与图1所示的腔体结构类似，只是圆柱腔筒(1)采用圆柱形波导，下端盖(6)为可移式活塞，便于被测微波电介质样品(5)的放置。测试方法为固定腔长法。文中采用两个腔体分别完成了2～7GHz，7～18GHz范围内复介电常数的宽频测试，但仍然是离散频率点的响应，其测试频率为相应的固定频率。

若采用固定测试频率，改变腔体长度的传统测试方法，其测试精度低，测试速度慢。现有采用高Q腔法进行微波电介质复介电常数的测试方法中，不能在某一个频段范围内对复介电常数进行扫频测试，获得的测试结果为某相应的固定频率。为适应材料研究、开发及应用的发展，需要在材料使用频率点进行复介电常数测试。

发明内容

本发明的任务是提供一种工作频率范围宽的圆柱形高Q谐振腔及能够在宽频带内对微波电介质的复介电常数进行准确、快速的扫频测试的装置。

本发明详细技术方案为：

一种圆柱形高Q谐振腔，如图4所示，包括圆柱形腔筒1、上端盖10、下端盖6和两个微波能量耦合装置4等四个部分，圆柱形腔筒1、上端盖10和下端盖6工作时相互接触，形成一个圆柱形谐振腔，其特征是，所述上端盖10在圆柱形腔筒1中的位置连续可调，以实现高Q腔的谐振频率连续可调，所述微波能量耦合装置4位于圆柱形腔筒1的两侧。

所述下端盖6作为被测微波电介质样品的承载台，可以是可移式活塞，以方便被测微波电介质样品的放置。

所述上端盖10可由精密步进电机程序控制其在圆柱形腔筒1中的位置；也可手动改变其在圆柱形腔筒1中的位置，此时应根据测试频率点数的需要配以百分表或千分表来准确读取上端盖的位置。

所述微波能量耦合装置4可以是在圆柱形腔筒1上开出的波导耦合孔，也可以是耦合环。

微波电介质复介电常数测试装置，如图3所示，包括微波信号源7、高Q腔8、标量网络分析仪9，微波信号源7所产生的微波信号输入高Q腔8，高Q腔8所产生的谐振微波信号输出至标量网络分析仪9，其特征是，所述高Q腔8为前述圆柱形高Q谐振腔。

本发明的实质是采用谐振频率连续可调的高Q腔代替国标GB/T 5597-1999中的固定频率点的高Q腔，从而进行微波电介质复介电常数的扫频测试。

本发明装置的构成及其测试工作原理是：

高Q腔结构原理：

为了进行介质材料复介电常数的扫频测试，对于所用高Q腔，应首先选定工作模式，一般为TE_0mn模式，其对应的谐振频率须在所需测试的频率范围内连续可调。高Q腔的结构示意图如图5所示。图中L是腔体的长度，D是腔体的直径。

谐振频率与腔体尺寸的关系见公式(1)。

${\left(f_{0}D\right)}^2={(\frac{c}{\mathrm{\π}}\·X_{0m})}^2+{\left(\frac{c\·n}{2}\right)}^2\·{\left(\frac{D}{L}\right)}^2---\left(1\right)$

其中f₀是谐振腔的空腔谐振频率，c是光速，X_0m是Bessel函数J′₀(X_0m)＝0的根(m＝1，2，3，…)，n是谐振模式在腔体轴向的半波长数。

从公式(1)中可以得出，腔体谐振频率与腔体长度和直径密切相关，因腔体直径不易改变，所以本发明采用通过调节腔体长度的方法来实现谐振频率的连续变化。因此，所设计的谐振腔腔长须在一定范围内连续可调。

首先根据所需测试的频率范围，选定工作模式，由公式(1)设计出高Q腔的直径和腔体长度的变化范围。高Q腔的腔体长度范围确定后，即可确定出高Q腔上端盖所需移动的范围。

确定高Q腔的直径、腔体长度变化范围后，即可制作高Q腔。制作时应注意高Q腔的下端盖(6)应可以很方便地打开和关闭，以易于放置被测微波电介质样品。腔体上端盖的位置应在所需移动的范围内连续可调，并配有上端盖位置的指示装置，也可用精密步进电机程控移动上端盖，从而可对上端盖的位置精确定位。

微波电介质样品复介电常数的测试原理：

本发明采用圆柱谐振腔为测试腔，工作模式选用TE_01n模，被测试微波电介质样品为圆盘状样品，放于谐振腔的底部，如图6所示。其中d是盘状介质样品的厚度。在放入被测微波电介质样品之前应先测量出空腔的谐振频率f₀和无载品质因数Q₀。

当腔体加载盘状微波电介质样品后，测量加载微波电介质样品后腔体的谐振频率f_0ε和品质因数Q_0ε后，根据传输线原理和边界条件理论，可以得到特征方程为：

$\frac{\tan ({\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}\·d)}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\tan [{\mathrm{\β}}_0\·(L-d)]}{{\mathrm{\β}}_0}=0---\left(2\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}^2={(2\mathrm{\π}\·f_{0\mathrm{\ϵ}}/c)}^2\·{\mathrm{\ϵ}}_r-{({2X}_{0m}/D)}^2---\left(3\right)$

${\mathrm{\β}}_0^2={(2\mathrm{\π}\·f_{0\mathrm{\ϵ}}/c)}^2-{({2X}_{0m}/D)}^2---\left(4\right)$

f_0ε是腔体加载微波电介质样品后的谐振频率，β₀是腔体中空气部分的相位常数，β_ε是腔体中盘状微波电介质样品部分的相位常数，ε_r是微波电介质样品的介电常数。

腔体的损耗包括腔壁金属损耗和介质损耗，由腔体加载微波电介质样品前后品质因数，可以推到出损耗角正切的计算公式。

$\tan \mathrm{\δ}=(1+\frac{u}{p\·v\·{\mathrm{\ϵ}}_r})\·(\frac{1}{Q_{0\mathrm{\ϵ}}}-\frac{1}{Q_{00}^{\′}})---\left(5\right)$

$\frac{1}{Q_{00}^{\′}}-\frac{1}{Q_0}\·{\left(\frac{f_0}{f_{0\mathrm{\ϵ}}}\right)}^{\frac{5}{2}}\·\frac{[{\left(\frac{{2X}_{0m}}{D}\right)}^2\·(p\·v+u)+D\·(p\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}^2+{\mathrm{\β}}_0^2)]}{(p\·v\·{\mathrm{\ϵ}}_r+u)\·[{\left(\frac{{2X}_{0m}}{D}\right)}^2\·(1-\frac{D}{L})+{\left(\frac{2\mathrm{\π}\·f_0}{c}\right)}^2\·\frac{D}{L}]}---\left(6\right)$

其中 $p={\left[\frac{\sin {\mathrm{\β}}_0(L-d)}{\sin {\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}d}\right]}^2$ $,u=2(L-d)-\frac{\sin 2{\mathrm{\β}}_0(L-d)}{{\mathrm{\β}}_0}$ $,v=2d$ $\frac{\sin 2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}d}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}}.$

通过加载微波电介质样品前后腔体的谐振频率和品质因数的测量，根据公式(2)～(5)可以计算得到介质的复介电常数。

微波电介质样品复介电常数的扫频测试原理：

1.测试时，根据所需测试的频率范围，由公式(1)可计算出腔体长度L的变化范围L_min～L_max。然后根据所需测试的频率点数N，计算出上端盖的移动步进dL。

$\mathrm{dL}=\frac{L_{\max }-L_{\min }}{N}$

2.测量空腔时的谐振频率和无载品质因数。在测试过程中，改变上端盖(10)在腔筒(1)中的位置，即可改变腔体的长度L。上端盖的移动步进为dL。上端盖每移动一个步进，需测量此时腔体的谐振频率和品质因数。测完空腔在不同腔体长度下对应的谐振频率和品质因数后，记录数据并将腔体上端盖移回初始位置。

3.打开腔体下端盖，放入被测微波电介质样品(5)后，将下端盖固定。以步进为dL的距离改变上端盖在腔体中的位置，并同时记录腔体在不同长度时对应加载微波电介质样品后的谐振频率和品质因数。

4.将同一腔体长度时对应的空腔和加载微波电介质样品后谐振频率和品质因数按照第三步的计算过程，就可计算出腔体在此长度时对应的被测微波电介质样品的复介电常数。得到腔体在不同长度时空腔和加载微波电介质样品后谐振频率和品质因数的值后，即可计算出腔体在不同长度时被测微波电介质样品的复介电常数。因腔体长度与谐振频率一一对应，即可得到被测微波电介质样品复介电常数的扫频测试结果。

需要说明的是，本发明适合各个频段微波电介质复介电常数的扫频测试，即本发明可以在不同频段对各种微波电介质进行复介电常数扫频测试。

综上所述，本发明的创新是：设计并制作长度连续可调的高Q腔。通过改变腔长从而实现高Q腔谐振频率的连续变化。得到微波电介质样品加载前后高Q腔的谐振频率和品质因数的变化，即可计算得到被测微波电介质样品在某一频段范围内的扫频测试结果。

本发明的有益效果：

本发明利用腔长连续可调的高Q腔，制作出谐振频率连续可变的腔体，尺寸较小，使用方便。因所采用腔体的谐振频率连续可调，可完成微波电介质复介电常数的扫频测试；测试过程快速，测试结果准确可靠。

本发明适合各个微波频段范围内微波电介质材料复介电常数的扫频测试。若设计合理，同样可实现毫米波波段微波电介质材料的扫频测试。微波电介质的宽频带复介电常数测试数据，对于更加准确地应用微波电介质具有重要的意义，为材料电特性研究提供了宝贵数据。

附图说明

图1下端盖位置可变的高Q腔示意图

其中，1是圆柱腔筒，2是上端盖，3是可移动的下端盖，4是波导耦合孔，5是被测微波电介质样品。

图2固定长度的高Q腔示意图

其中，6为可移式下端盖。

图3测试系统框图

其中，7是微波信号源，8是高Q腔，9是标量网络分析仪。

图4扫频测试腔结构示意图

其中，10是位置可移动的上端盖

图5高Q腔空腔示意图

图6加载微波电介质样品后的高Q腔示意图

具体实施方式

本发明实施方式测试装置的适用频率范围为8.2～12.4GHz。其高Q腔腔体直径为55mm，长度变化范围为57～95mm；高Q腔所选用的工作模式为TE₀₁₃和TE₀₁₄工作模式，当腔体长度为95mm时，腔体的工作模式对应的频率分别为：TE₀₁₃：8.16GHz，TE₀₁₄：9.16GHz；当腔体长度调节到57mm时，TE₀₁₃：10.32GHz，TE₀₁₄：12.44GHz。这样，当移动腔体上端盖时，即腔体长度由95mm变化到57mm的过程中，工作模式TE₀₁₃和TE₀₁₄对应的工作频率结合起来，可连续覆盖8.2～12.4GHz的频率范围。

本发明实施方式测试装置的其它部分与发明内容中相同，在此不再赘述。

Claims (6)

1、一种圆柱形高Q谐振腔，包括圆柱形腔筒(1)、上端盖(10)、下端盖(6)和两个微波能量耦合装置(4)等四个部分，圆柱形腔筒(1)、上端盖(10)和下端盖(6)工作时相互接触，形成一个圆柱形谐振腔，其特征是，所述上端盖(10)在圆柱形腔筒(1)中的位置连续可调，以实现高Q腔的谐振频率连续可调，所述微波能量耦合装置(4)位于圆柱形腔筒(1)的两侧。

2、根据权利要求1所述的一种圆柱形高Q谐振腔，其特征是，所述下端盖(6)作为被测微波电介质样品的承载台，可以是可移式活塞，以方便被测微波电介质样品的放置。

3、根据权利要求1所述的一种圆柱形高Q谐振腔，其特征是，所述上端盖(10)可由精密步进电机程序控制其在圆柱形腔筒(1)中的位置；也可手动改变其在圆柱形腔筒(1)中的位置，此时应根据测试频率点数的需要配以百分表或千分表来准确读取上端盖的位置。

4、根据权利要求1所述的一种圆柱形高Q谐振腔，其特征是，所述微波能量耦合装置(4)可以是在圆柱形腔筒(1)上开出的波导耦合孔，也可以是耦合环。

5、根据权利要求1所述的一种圆柱形高Q谐振腔，其特征是，其腔体直径为55mm，长度变化范围为57～95mm。

6、微波电介质复介电常数测试装置，包括微波信号源(7)、高Q腔(8)、标量网络分析仪(9)，微波信号源(7)所产生的微波信号输入高Q腔(8)，高Q腔(8)所产生的谐振微波信号输出至标量网络分析仪(9)，其特征是，所述高Q腔8为根据权利要求1-5所述的圆柱形高Q谐振腔。

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