CN203561697U

CN203561697U - P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置

Info

Publication number: CN203561697U
Application number: CN201320674502.3U
Authority: CN
Inventors: 张娜; 成俊杰; 张国华; 刘杰; 高春彦; 陈婷
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2023-10-29

Abstract

本实用新型公开了一种P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，包括准光腔体、耦合波导、主体支撑部件、精密测距模块和步进位移驱动部件；准光腔体包括球面镜和平面镜，构成半对称谐振结构，球面镜的中心位置设有通孔，耦合波导设置在球面镜上，并与通孔匹配对应设置；平面镜设置在主体支撑部件上，步进位移驱动部件一端与主体支撑部件连接，另一端与球面镜连接，步进位移驱动部件能够带动球面镜上下移动；精密测距模块设置在主体支撑部件上，用于测量球面镜上下移动的距离。采用上述结构后，本实用新型实现了12.4GHz～18GHz频率范围变腔长法介电常数和损耗角正切的准确测量。

Description

P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置

技术领域

本实用新型涉及了一种用于介电性能测量领域的测量装置，特别是应用于P波段(12.4GHz～18GHz)采用准光腔变腔长法实现介电常数测量的全自动测量装置。

背景技术

随着微波通信系统、精确制导、电子对抗等技术的发展和应用，对电路介质基片、天线单元介质衬底、天线罩等介质材料的研究越来越受到重视。复介电常数是描述低损耗介质材料电特性的最基本参数之一，在微波电路设计中，微波装置和微波器件中应用了许多类型的介质材料，电介质材料的应用极为广泛。在微波集成电路设计制造过程中，预先掌握介质基片介电常数和损耗是保证电路具有良好性能的前提，随着微波集成电路的迅速发展，对快速、准确而又简便地测量基片介电常数的要求越来越迫切。

微波材料介电常数测量方法很多，有传输反射法、谐振腔法、开路终端法和准光腔法等。准光腔法以非破坏性、适于小损耗材料高精度测量等优点在毫米波频段被广泛采用。准光腔法基本原理是通过比较被测材料放入前后谐振频率或腔长、品质因数的变化，结合被测材料厚度、初始腔长等参数，推导出介电常数和损耗角正切。

准光腔有两种测量方法：变频率法和变腔长法。由于对频率的测量精度和分辨率均比测量长度要高，而且在变腔长的过程中腔体平行度、同心等将不可避免受到影响，因此变频率法被准光腔测试系统广泛采用。但是变频率法测量频率存在偏差，针对非宽带性能的特殊材料，某个固定频率的介电常数受到关注，变频率法不再适用，而变腔长法在测量这类材料时突显出独特优势。

准光腔是一种开放式谐振腔测量技术，目前主要应用于8mm及以上频段。在P波段测量小损耗材料广泛采用封闭谐振腔，但其对材料加工要求较高，且不易实现温度环境模拟。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题本实用新型作出进一步的改进，即本实用新型要解决的问题是提供一种P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，该测量装置采用固定频率改变腔长的方式，实现12.4～18GHz频率范围介电性能的自动测量。

为解决上述技术问题，本实用新型一种P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置包括：准光腔体、耦合波导、主体支撑部件、精密测距模块和步进位移驱动部件；所述准光腔体包括球面镜和平面镜，构成半对称谐振结构，所述球面镜的中心位置设有通孔，所述耦合波导设置在所述球面镜上，并与所述通孔匹配对应设置；所述平面镜设置在所述主体支撑部件上，所述步进位移驱动部件一端与主体支撑部件连接，另一端与所述球面镜连接，所述步进位移驱动部件能够带动球面镜上下移动；所述精密测距模块设置在主体支撑部件上，用于测量所述球面镜上下移动的距离。

所述精密测距模块为光栅尺。

所述光栅尺的分辨率为0.1um，重复精度为0.5um。

所述步进位移驱动部件包括步进电机和滚珠丝杠导轨运动副，所述滚珠丝杠导轨运动副包括滚珠丝杠、联轴器和导向轴，所述滚珠丝杠和导向轴固定设置在所述主体支撑部件上，所述步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠的一端，另一端连接球面镜，所述步进电机带动滚珠丝杠旋转，从而使球面镜沿导向轴上下运动。

所述步进电机为三相混合步进电机，其步距角为1.2度。

所述滚珠丝杠的导程为5mm，所述导向轴的总行程为330mm。

所述球面镜和平面镜都采用铜制材料，表面镀金工艺，表面光洁度为▽11。

所述耦合波导采用不锈钢材料，表面镀金。

所述球面镜的曲率半径为220mm,口面直径为270mm。

所述平面镜的直径为200mm，厚度为10mm。

采用上述结构后，本实用新型实现了12.4GHz～18GHz频率范围变腔长法介电常数和损耗角正切的准确测量。

附图说明

图1为本实用新型的主视图。

图2为本实用新型的左视图。

图3为本实用新型球面镜镜体的结构示意图。

图4为本实用新型球面镜底座的结构示意图。

图5为本实用新型平面镜的结构示意图。

图6为本实用新型耦合波导的结构示意图。

图7为本实用新型球面镜支撑的结构示意图。

图8为本实用新型驱动连接器的结构示意图。

图9为本实用新型从动连接器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的测量原理是，根据测试频率和测试模式，计算初始腔长；步进位移驱动模块调节球面镜位置，设置准光腔的初始腔长；设置网络分析仪的测量频率、扫描带宽，进行直通隔离校准；读取网络分析仪反馈的谐振频率，精调腔长使其恰在所需频率f₀谐振，同时得到空腔Q₀值；将被测样品放置在平面镜的中心，准光腔系统即失谐；调节球面镜位置即缩短腔长再次在相同频率f₀谐振，获得有载品质因数Q值，同时得到腔长改变量；结合被测样品厚度，计算得到介电常数。

如图1、图2所示，本实用新型P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置包括：准光腔体1、耦合波导2、主体支撑部件3、步进位移驱动部件4和精密测距模块5。

准光腔体1是由球面镜11和平面镜12构成的半对称谐振结构，采用传输测量模式。球面镜11包括镜体111和球面镜底座112两个组件。镜体111如图3所示，曲率半径220mm，口面直径270mm。球面镜底座112如图4所示，底部壁厚0.5mm，两中心孔直径均为2.8mm，两孔之间的距离为8.9mm。镜体111外圈螺纹孔与球面镜支撑331装配，镜体111内圈螺纹孔与球面镜底座112外圈螺纹孔采用螺钉配合连接，球面镜底座112内圈螺纹孔与耦合波导2装配连接。为了提高菲涅尔数来保证谐振腔的稳定，以及降低系统对同心度的要求，该测量装置增大平面镜12的尺寸，选取直径为10倍束腰半径(200mm)，厚度为10mm。如图5所示，平面镜12采用台阶结构，底座121精密加工，与平面镜支撑341精密装配，保证了位置重复性。球面镜11和平面镜12都采用铜质加工，镀金工艺，表面光洁度等级为▽11。

如图6所示，耦合波导2是信号输入和输出装置，由直波导段21、45度弯波导段22、法兰盘23和圆柱底座24组成。直波导段21和45度弯波导段22是标准2cm波导，波导口尺寸为15.8mm×7.9mm。耦合波导2是对称结构，两端口均可用作输入输出。耦合波导2共有3个法兰盘，选用标准法兰FBP140，法兰盘23与球面镜的镜体111装配。圆柱底座24与球面镜底座112装配。耦合波导2采用不锈钢加工，表面镀金。

如图1、2所示，主体支撑部件3是该测量装置的硬件主体，包括底座31、龙门支架、球面镜悬挂组件33、平面镜支撑组件34和位置指示器35。

底座31是采用硬铝材质加工的平台，重约7kg，尺寸500mm×500mm×50mm，底座31凸面需精密加工，与该部分中龙门左侧板和龙门右侧板螺钉装配。采用龙门结构，在改变腔长的过程中保证了硬件主体的平稳性。

如图1所示，龙门支架32包括龙门左侧板321、龙门右侧板322、龙门中侧板323、龙门上横梁324和龙门下横梁325。龙门左侧板321、龙门右侧板322分别与底座31、龙门上横梁324和龙门下横梁325装配。。

如图7、图8所示，球面镜悬挂组件33具备承重、平稳、可靠、易于装配等优点，包括球面镜支撑331、驱动连接器332和两个直线轴承。直线轴承选用标准件，不锈钢材质，精度为10um；球面镜支撑331和驱动连接器332选用硬铝材质精密加工。球面镜支撑331与驱动连接器332装配、驱动连接器332与直线轴承装配，使三者作为整体，一方面与滚珠丝杠421和导向轴423装配，另一方面与球面镜装配。在测试过程中，球面镜悬挂组件带动球面镜实现准光腔腔长的改变。

平面镜支撑组件34包括平面镜支撑341、从动连接器342和两个直线轴承343。直线轴承343选用标准件，不锈钢材质，精度为10um；平面镜支撑341和从动连接器342采用硬铝材质加工。平面镜支撑341和球面镜支撑331是完全一样的。从动连接器342结构如图9所示。平面镜支撑341与从动连接器342装配连接、从动连接器342与直线轴承343装配，使三者作为整体，一方面与导向轴423装配，另一方面与平面镜12装配。

如图1所示，位置指示器35包括刻度尺351、位置连接件352和限位连接件353。刻度尺精度为1mm，用于粗略指示平面镜和球面镜的位置。刻度尺351和限位连接件353分别设置在位置连接件352上。

步进位移驱动部件4包括步进电机41、滚珠丝杠导轨运动副42和控制机箱，用于实现腔长的自动精密调节。根据系统要求的运动精度、系统驱动负载能力以及驱动控制系统设计的可靠性，步进电机41选取三相混合步进电机3HB57-54，其步距角为1.2度，采用步进电机驱动控制芯片，细分精度可达60000步/转，可实现对系统的微米级别精度的控制。

滚珠丝杠导轨运动副42包括滚珠丝杠421、连轴器422和两个导向轴423。滚珠丝杠选用BS1205-330，导程是5mm，其传动效率高，回程误差很小，适合精密微动平台。连轴器422连接步进电机41和滚珠丝杠421。导向轴423选用标准件，总行程330mm。滚珠丝杠421与龙门上横梁324、龙门中侧板323、驱动连接器332和连轴器422装配。两个导向轴423平行与龙门上下横梁和四个直线轴承装配，配套总逛量为20um，因此系统平行度可以量化为0.005°。龙门上横梁324分别与龙门左侧板321、龙门右侧板322、导向轴423、滚珠丝杠421及电机座装配，龙门下横梁325分别与底座31、龙门左侧板321、龙门右侧板322和导向轴423装配。由于滚珠丝杠421比导向轴423行程短，因此添加龙门中侧板323用于固定滚珠丝杠421。

为了提高系统运行的平稳性以及球面镜与平面镜的相对平行度，系统驱动负载能力以及驱动控制系统设计的可靠性，基于单片机ATmega128主控芯片制作了平台驱动控制电路，通过步进电机驱动滚珠丝杠导轨副实现。编写了驱动模块上位机测试软件，实现PC与驱动控制模块的通讯控制。

精密测距模块5选用贵阳新天光电科技有限公司光栅尺JCXE_B，分辨率为0.1um，重复精度为0.5um。光栅尺固定在光栅连接件上，与光栅支撑板51装配一体，以螺钉装配于龙门左侧板321上。光栅测距计数基于光栅控制芯片HCTL_2032实现，具有4细分和辩向功能，可接收两路正交脉冲信号，同时还具有抗干扰设计，并将可逆计数器设计在芯片上，芯片集成度高，时钟周期达33MHz，具有较高的测量精度与数据处理速度。

综上所述，本实用新型所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本实用新型所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本实用新型的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本实用新型的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：该测量装置包括准光腔体、耦合波导、主体支撑部件、精密测距模块和步进位移驱动部件；所述准光腔体包括球面镜和平面镜，构成半对称谐振结构，所述球面镜的中心位置设有通孔，所述耦合波导设置在所述球面镜上，并与所述通孔匹配对应设置；所述平面镜设置在所述主体支撑部件上，所述步进位移驱动部件一端与主体支撑部件连接，另一端与所述球面镜连接，所述步进位移驱动部件能够带动球面镜上下移动；所述精密测距模块设置在主体支撑部件上，用于测量所述球面镜上下移动的距离。

2.根据权利要求1所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述精密测距模块光栅尺。

3.根据权利要求2所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述光栅尺的分辨率为0.1um，重复精度为0.5um。

4.根据权利要求1所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述步进位移驱动部件包括步进电机和滚珠丝杠导轨运动副，所述滚珠丝杠导轨运动副包括滚珠丝杠、联轴器和导向轴，所述滚珠丝杠和导向轴固定设置在所述主体支撑部件上，所述步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠的一端，另一端连接球面镜，所述步进电机带动滚珠丝杠旋转，从而使球面镜沿导向轴上下运动。

5.根据权利要求4所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述步进电机为三相混合步进电机，其步距角为1.2度。

6.根据权利要求4所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述滚珠丝杠的导程为5mm，所述导向轴的总行程为330mm。

7.根据权利要求1所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述球面镜和平面镜都采用铜制材料，表面镀金工艺，表面光洁度为▽11。

8.根据权利要求1所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述耦合波导采用不锈钢材料，表面镀金。

9.根据权利要求1所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述球面镜的曲率半径为220mm,口面直径为270mm。

10.根据权利要求1所述的P波段准光腔变腔长法介电常数全自动测量装置，其特征在于：所述平面镜的直径为200mm，厚度为10mm。