CN202330564U - 一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，属于微波、毫米波介电材料介电性能测试领域。包括准光学谐振腔、感应加热控制装置、感应加热圈、真空炉腔、循环水冷系统和矢量网络分析仪；准光学谐振腔为由球面镜和平面镜组成的平凹腔，准光学谐振腔通过两个耦合孔，经波导、同轴电缆和矢量网络分析仪连接，形成测试回路。本实用新型综合运用感应加热技术、循环水冷技术和真空技术，使得本实用新型在采用准光学谐振腔测试法对介质材料介电性能进行变温测量时，具有加热效率高、可变温度范围宽(测量温度可达2000℃以上)，且在保证测量精度条件下能够长期稳定工作而不会造成光学谐振腔的氧化或其他损伤。

Description

一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置

技术领域

本实用新型属于微波、毫米波介电材料介电性能测试领域，涉及准光学腔测量方法及装置。

背景技术

随着通讯系统、武器精确制导和电子对抗技术的发展与应用，准确了解电路介质基片材料、天线罩材料的介电性能越来越重要。当这些材料的工作温度发生变化时，它们的介电性能也会发生相应的变化。因此，了解材料在不同工作温度下的介电性能，对材料的应用与设计具有重大意义！

针对介质材料在微波、毫米波段的介电性能测试，应用比较广泛的测量方法是准光学谐振腔测试法。目前普遍使用的准光学谐振腔的结构形式是半对称球面准光学谐振腔，该腔体由一个球面镜和一个平面镜构成，俗称平凹腔。该种结构形式的准光学谐振腔一般只用于常温环境下介质材料的介电性能的测量，如果要应用于变温环境下的介电性能的测量，则需要对腔体的结构进行改进。

文献“冯丽萍，韦高，Ku波段开腔电介质高温自动测量系统，强激光与粒子束，2006，vol.18，No.8，pp1323～1326.”采用加热炉方式，利用碳化硅发热棒进行加热，温度可达1300°C。该文献中的结构存在两个缺点，一是腔体结构暴露在空气中，在高温工作条件下，促使平面镜金属迅速被氧化，长期使用将影响准光学谐振腔的品质因数(Q值)，从而影响介电性能的测量精度；二是该种结构的加热效率不高、可变温度范围不够宽。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，以实现微波、毫米波介质材料介电性能的变温测试。该装置可实现常温至2000多℃环境下介质材料介电性能的变温测量，具有加热效率高、可变温度范围宽，且在保证测量精度条件下能够长期稳定工作。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，如图1所示，包括准光学谐振腔1、感应加热控制装置2、感应加热圈3、真空炉腔4、循环水冷系统5和矢量网络分析仪6。所述准光学谐振腔1采用由球面镜11和平面镜12组成的平凹腔结构，其中球面镜11固定于真空炉腔4的上部空间，平面镜12固定于真空炉腔4的下部空间。如图2所示，所述球面镜11上有具有两个耦合孔111、112，准光学谐振腔1通过两个耦合孔111、112，经波导、同轴电缆和矢量网络分析仪6连接，形成测试回路。所述平面镜12周围上方具有金属套筒13，套筒13的高度以不影响准光学谐振腔的品质因素(Q值)为准。所述感应加热圈3采用紫铜管制作，固定于真空炉腔4的下部空间，使得平面镜12位于感应加热圈3的内部。感应加热圈3的两端穿过真空炉4的侧壁与所述加热控制装置2实现电相连、同时与所述循环水冷系统5连接以实现一个循环水冷回路。

本实用新型具体工作过程是：矢量网络分析仪6通过同轴电缆、波导经球面镜11上的耦合孔111、112与准光学谐振腔1进行连接，被测介质样品放在平面镜12的正中；先对真空炉腔4抽真空，再充入保护氮气，接着打开感应加热控制装置2，利用感应加热控制装置2通过感应圈3对介质样品进行加热，同时开启水冷系统5进行水冷。当达到要求温度时，即停止加热。然后利用矢量网络分析仪6和相应的软件对材料进行测试分析。

本实用新型在高温测量过程中，虽然高温区集中于感应加热圈3的内部，但如果测量温度过高，真空炉腔4内部其他位置(主要包括球面镜11和真空炉腔4腔壁)温度也会升高，为了避免高温对球面镜11以及真空炉腔4的损伤，同时也是为了提高变温测量效率，可以：1)如图3所示，在所述球面镜11内部增加环形水冷槽113，所述环形水冷槽113的两端114、115通过水管与水冷系统5连接以实现另一个循环水冷回路；2)在所述真空炉腔4的腔壁内部增加均匀分布的管道结构，所述管道结构的两端与水冷系统5连接以实现再一个循环水冷回路。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，由于采用感应加热技术和循环水冷系统，同时配以真空炉腔，使得本实用新型在采用准光学谐振腔测试法对介质材料介电性能进行变温测量时，具有加热效率高、可变温度范围宽(测量温度可达2000℃以上)，且在保证测量精度条件下能够长期稳定工作而不会造成光学谐振腔的氧化或其他损伤。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置的结构示意图。

其中，1是准光学谐振腔、2是感应加热控制装置、3是感应加热圈、4是真空炉腔、5是水冷系统、6是矢量网络分析仪。

图2是准光学谐振腔示意图。

图3是准光学谐振腔球面镜示意图。

图2至图3中，11是球面镜、12是平面镜、13是金属套筒、111和112是耦合孔、113环形水冷槽。

具体实施方式

一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，如图1所示，包括准光学谐振腔1、感应加热控制装置2、感应加热圈3、真空炉腔4、循环水冷系统5和矢量网络分析仪6。所述准光学谐振腔1采用由球面镜11和平面镜12组成的平凹腔结构，其中球面镜11固定于真空炉腔4的上部空间，平面镜12固定于真空炉腔4的下部空间。如图2所示，所述球面镜11上有具有两个耦合孔111、112，准光学谐振腔1通过两个耦合孔111、112，经波导、同轴电缆和矢量网络分析仪6连接，形成测试回路。所述平面镜12周围上方具有金属套筒13，套筒13的高度以不影响准光学谐振腔的品质因素(Q值)为准。所述感应加热圈3采用紫铜管制作，固定于真空炉腔4的下部空间，使得平面镜12位于感应加热圈3的内部。感应加热圈3的两端穿过真空炉4的侧壁与所述加热控制装置2实现电相连、同时与所述循环水冷系统5连接以实现一个循环水冷回路。

本实用新型在高温测量过程中，虽然高温区集中于感应加热圈3的内部，但如果测量温度过高，真空炉腔4内部其他位置(主要包括球面镜11和真空炉腔4腔壁)温度也会升高，为了避免高温对球面镜11以及真空炉腔4的损伤，同时也是为了提高变温测量效率，可以：1)如图3所示，在所述球面镜11内部增加环形水冷槽113，所述环形水冷槽113的两端114、115通过水管与水冷系统5连接以实现另一个循环水冷回路；2)在所述真空炉腔4的腔壁内部增加均匀分布的管道结构，所述管道结构的两端与水冷系统5连接以实现再一个循环水冷回路。

利用本实用新型对介质材料的介电性能进行变温测试的具体过程是：

步骤1：对真空炉4先抽真空，完后充入氮气进行保护。开启感应加热控制装置2。与此同时，水冷系统5开启运转，为真空炉4、感应加热圈3和准光学谐振腔球面镜11提供循环冷却液。

步骤2：将空腔(未放入被测介质材料样品)加热到所需温度。

步骤3：利用网络分析仪6测出空腔在此温度环境下的谐振频率f0和空腔品质因数Q0，并记录。

步骤4：待整个装置冷却后，加载被测介质材料样品，将其放在平面镜12的正中。重复步骤2，记录加载谐振腔(放入样品后)的谐振频率f0s和加载谐振腔品质因数Qs。

步骤5：根据所测得的腔体加载样品前后的谐振频率和无载品质因数的变化，可计算得到介质材料的相对介电常数和损耗角正切。其计算公式如下：

根据准光学谐振腔基模谐振频率公式：

$f_{00q}=\frac{c}{2D}[q+1+\frac{1}{\mathrm{\π}}\arctan \sqrt{D/(R_0-D)}...\left(1\right)$

式中，c为光速，D为准光学谐振腔的腔长(从耦合孔下端到平面镜上端的距离)，R₀为球面镜的曲率半径，q为准光学谐振腔的纵向模数。

由先前记录的空腔谐振频率f₀和腔长D(测量得到的)，即可反算出基模的谐振模式。当谐振模式确定后，根据空腔谐振频率f₀和q值，可以反算出更加精确的腔长D。

样品的相对介电常数的计算公式为：

$\frac{1}{n}\tan (\mathrm{nkt}-{\mathrm{\φ}}_t)=-\tan (\mathrm{kd}-{\mathrm{\φ}}_d)...\left(2\right)$

式中：φ_t＝arctan(t/nz₀)...........(3)

φ_d＝arctan(d″/z₀)-arctan(t/n²z₀)............(4)

$w_0^2=\frac{2}{k}{\left[(d+t/n^2)(R_0-d-t/n^2)\right]}^{1/2}...\left(5\right)$

d＝D-t............(6)

$z_0=\sqrt{d^{\′\′}(R_0-d^{\′\′})}...\left(7\right)$

d″＝d+t/n².............(8)

$n=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}...\left(9\right)$

k＝2π·f_0s/c.............(10)

其中：c为光速，D为准光学谐振腔的腔长，R₀为球面镜的曲率半径，t为介质样品的厚度。

由先前测量加载谐振腔的谐振频率f_0s、样品的厚度t以及根据空腔谐振频率f₀反算出的准光学谐振腔腔长D，即可解超越方程，从而得到样品的相对介电常数。

损耗角正切的计算：

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{1}{Q_e}\·\frac{\mathrm{t\Δ}+d}{\mathrm{t\Δ}+\frac{1}{2k}\left[\sin 2(\mathrm{kd}-{\mathrm{\φ}}_d)\right]}...\left(11\right)$

其中： $\frac{1}{Q_e}=\frac{1}{Q_s}-\frac{1}{Q_1}...\left(12\right)$

$Q_1=Q_0\·\frac{2(\mathrm{t\Δ}+d)}{D(\mathrm{\Δ}+1)}...\left(13\right)$

$\mathrm{\Δ}=\frac{n^2}{n^2{\cos }^2(\mathrm{nkt}-{\mathrm{\φ}}_t)+{\sin }^2(\mathrm{nkt}-{\mathrm{\φ}}_t)}...\left(14\right)$

在式中Q_s是加载谐振腔的品质因数，Q₁是放入理想介质样品(无损耗)的品质因数，Q₀是空腔的品质因数。

通过前面的步骤算出相对介电常数，以及先前测得的加载谐振腔品质因数Q_s和空腔品质因数Q₀即可计算出样品的损耗角正切。

Claims (3)

1.一种基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，包括准光学谐振腔(1)、感应加热控制装置(2)、感应加热圈(3)、真空炉腔(4)、循环水冷系统(5)和矢量网络分析仪(6)；其特征在于：

所述准光学谐振腔(1)采用由球面镜(11)和平面镜(12)组成的平凹腔结构，其中球面镜(11)固定于真空炉腔(4)的上部空间，平面镜(12)固定于真空炉腔(4)的下部空间；所述球面镜(11)上有具有两个耦合孔(111、112)，准光学谐振腔(1)通过两个耦合孔(111、112)，经波导、同轴电缆和矢量网络分析仪(6)连接，形成测试回路；所述平面镜(12)周围上方具有金属套筒(13)，套筒(13)的高度以不影响准光学谐振腔的品质因素为准；所述感应加热圈(3)采用紫铜管制作，固定于真空炉腔(4)的下部空间，使得平面镜(12)位于感应加热圈(3)的内部；感应加热圈(3)的两端穿过真空炉(4)的侧壁与所述加热控制装置(2)实现电相连、同时与所述循环水冷系统(5)连接以实现一个循环水冷回路。

2.根据权利要求1所述的基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，其特征在于，所述球面镜(11)内部具有环形水冷槽(113)，所述环形水冷槽(113)的两端(114、115)通过水管与水冷系统(5)连接以实现另一个循环水冷回路。

3.根据权利要求1或2所述的基于准光学谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置，其特征在于，所述真空炉腔(4)的腔壁内部具有均匀分布的管道结构，所述管道结构的两端与水冷系统(5)连接以实现再一个循环水冷回路。

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