[发明专利]基于终端短路法的介质材料高温复介电常数测量方法

权利要求书

1.基于终端短路法的介质材料高温复介电常数测量方法，包括以下步骤：

步骤一、搭建测量波导尺寸及其微波损耗的系统，该测量波导尺寸及其微波损耗的系统由矢量网络分析仪(1)、耦合装置(4)、矩形测试波导(2)构成；矩形测试波导(2)由散热波导(22)、隔热波导(23)、高温波导(24)和短路板(25)顺序连接而成；矩形测试波导(2)内壁做金属化处理，所用金属的电导率为σ，磁导率为μ；耦合装置(4)与矩形测试波导(2)固定连接后形成反应式谐振腔；矢量网络分析仪(1)通过波导-同轴转换接头与耦合装置(4)相连；

步骤二、测量高温下耦合装置(4)与矩形测试波导(2)形成的反应式谐振腔尺寸，即矩形测试波导(2)的长度L、宽边长度α和窄边长度b，以及矩形测试波导(2)的微波损耗Lc，测量过程中，采用具有温控装置的加热设备对测试波导(2)的加热端口，即高温波导(24)和短路板(25)部分进行加热并控温，采用相应的冷却装置对散热波导(22)进行降温，具体步骤如下：

步骤2-1.设置测试波导(2)的加热端口温度；

步骤2-2.测量步骤2-1.所述温度下反应式谐振腔在TE_10n模式下的谐振频率f₀和相邻模式TE_10(n+1)下的谐振频率f₀₁以及无载品质因数Q₀；

步骤2-3.由步骤2-2.所测的反应式谐振腔在TE_10n模式下的谐振频率f₀和相邻模式TE_10(n+1)下的谐振频率f₀₁，计算步骤2-1.所述温度下反应式谐振腔长度L、宽边长度a和窄边长度b，计算方法如下：

对于矩形谐振腔工作在TE_10n模式，其谐振频率f₀为：f0=c2·(1a)2+(nL)2,]]>对于矩形谐振腔工作在相邻TE_10(n+1)模式，其谐振频率f₀₁为：f01=c2(1a)2+(n+1L)2,]]>联立两式，即可算出步骤2-1.所述温度下反应式谐振腔长度L和宽边长度a，式中，c为光速，n为场量沿腔体纵向变化的半个周期的数目；

由求出的反应式谐振腔宽边长度a按比例求出窄边长度b；

步骤2-4.由步骤2-2.所测的反应式谐振腔在TE_10n模式下的无载品质因数Q₀，计算计算步骤2-1.所述温度下矩形测试波导(2)的微波损耗Lc，具体计算过程如下：

Q0=λ0abL2δ·(A2+C2)3/2A2L(a+2b)+C2a(L+2b),]]>其中：λ0=cf0,]]>A=1a,]]>C=nL,]]>求得反应式谐振腔在步骤2-1.所述温度下的高频电流在谐振腔壁内表面的趋肤深度δ；

由δ=1πf0μσ]]>结合RS=1σδ,]]>其中：σ和μ分别为谐振腔壁金属的电导率与磁导率，计算谐振腔微波表面电阻R_S；

将δ和R_S代入式αC=RSbη[1+2ba(λ02a)2]11-(λ0/2a)2]]>中，其中η=μ0ϵ0,]]>ε₀、μ₀分别为空气的介电常数和磁道率，计算步骤2-1.所述温度下反应式谐振腔的衰减常数α_c；

最后，将衰减常数α_c和步骤2-3.所得的谐振腔长度L代入式LC=e-2αCL]]>计算出步骤2-1.所述温度下矩形测试波导(2)的微波损耗Lc；

步骤三、搭建介质材料高温复介电常数测量系统，该介质材料高温复介电常数测量系统由矢量网络分析仪(1)和矩形测试波导(2)构成；矩形测试波导(2)由散热波导(22)、隔热波导(23)、高温波导(24)和短路板(25)顺序连接而成；矩形测试波导(2)内壁做金属化处理，所用金属的电导率为σ，磁导率为μ；矢量网络分析仪(1)通过波导-同轴转换接头与耦合装置(4)相连；系统搭建好后，在波导-同轴转换接头处对矢量网络分析仪(1)进行反射校准；

步骤四、测量步骤2-1.所述温度下介质材料的复介电常数，测量过程中，采用具有温控装置的加热设备对测试波导(2)的加热端口，即高温波导(24)和短路板(25)部分进行加热并控温，采用相应的冷却装置对散热波导(22)进行降温，具体步骤如下：

步骤4-1.加载被测介质样品，所加载的被测介质样品厚度为d，其大小与矩形测试波导(2)的截面相适应，保证被测介质样品与矩形测试波导(2)的内壁之间无缝隙且紧靠短路板(25)；

步骤4-2.在步骤2-1.所述温度下，采用矢量网络分析仪测量加载被测介质样品后的反射系数S_11M，且S_11M＝|S_11M|·exp(j·θ_S11)，计算扣除步骤2-4.所得的矩形测试波导(2)的微波损耗Lc后的反射系数S₁₁：

S11=|S11|·exp(j·θS11)=|S11M(LC)2|·exp(j·θS11);]]>

步骤4-3.计算被测介质样品波导段中的传输系数γ，具体计算过程如下：

根据tanh(γd)γd=1jkd·(1-jρtan(kx0)ρ-jtan(kx0)),]]>令k·x₀＝θ_j，有：

tanh(γd)γd=1jkd·(1-jρtan(θj)ρ-jtan(θj))]]>

其中：

ρ=1+|S11|1-|S11|,]]>

θj=θS11-(2·n+1)·π2+2·β0′·(L-d),]]>

β0′=2·πλ0′·1-(λ0′λC)2,]]>

而λ₀′＝c/f₀′，f₀′为矢量网络分析仪(1)输入矩形测试波导(2)的测试信号频率；且对于矩形波导，有λ_c＝2a，由此计算出被测介质样品波导段中的传输系数γ＝α+jβ；

步骤4-4.计算被测介质样品复介电常数，具体计算方法为：

ϵr′=kc+β2-α2k02]]>

tanδϵ=2αβkc2+β2-α2]]>

其中，ε_r′为介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切；

步骤五、重新设置矩形测试波导(2)的加热端口温度，并重复步骤一至步骤四，即可得到不同温度下被测介质样品复介电常数。