[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

摘要

基于终端短路法的介质材料高温复介电常数测量方法，属于微波、毫米波电介质材料复介电常数测试技术。本发明在采用终端短路法进行高温介质材料复介电常数测试时，将具有一定长度的散热波导、隔热波导、高温波导与耦合装置、短路板一起构成反应式谐振腔，通过测量该谐振腔的谐振频率和品质因数，从而得到该谐振腔在不同温度下的尺寸及微波损耗，进而测量出该温度下介质材料的复介电常数。本发明适于基于终端短路法进行各个频段介质材料高温复介电常数的测试，同时利用本发明可以测试不同温度下测试波导谐振腔的尺寸和微波损耗。本发明因为考虑了由于温度影响带来的测试波导谐振腔的尺寸和微波损耗的变化，所以测试精度更高，误差更小。

主权项

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TE10n模式下的谐振频率f0和相邻模式TE10(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TE10n模式下的谐振频率f0和相邻模式TE10(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TE10n模式，其谐振频率f0为：$f_0=\frac{c}{2}·\sqrt{{\left(\frac{1}{a}\right)}^2+{\left(\frac{n}{L}\right)}^2},$对于矩形谐振腔工作在相邻TE10(n+1)模式，其谐振频率f01为：$f_{01}=\frac{c}{2}\sqrt{{\left(\frac{1}{a}\right)}^2+{\left(\frac{n+1}{L}\right)}^2},$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TE10n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：$Q_0=\frac{{\lambda }_0\mathrm{abL}}{2\delta }·\frac{{(A^2+C^2)}^{3/2}}{A^{2}L(a+2b)+C^{2}a(L+2b)},$其中：${\lambda }_0=\frac{c}{f_0},$ $A=\frac{1}{a},$ $C=\frac{n}{L},$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$\delta =\frac{1}{\sqrt{\pi f_0\mathrm{\mu \sigma }}}$结合$R_S=\frac{1}{\mathrm{\sigma \delta }},$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RS；将δ和RS代入式${\alpha }_C=\frac{R_S}{\mathrm{b\eta }}[1+2\frac{b}{a}{\left(\frac{{\lambda }_0}{2a}\right)}^2]\frac{1}{\sqrt{1-{({\lambda }_0/2a)}^2}}$中，其中$\eta =\sqrt{\frac{{\mu }_0}{{ϵ}_0}},$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αc；最后，将衰减常数αc和步骤2-3.所得的谐振腔长度L代入式$L_C=e^{-2{\alpha }_{C}L}$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S11M，且S11M＝|S11M|·exp(j·θS11)，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：$S_{11}=\left|S_{11}\right|·\exp (j·{\theta }_{S11})=\left|\frac{S_{11M}}{{\left(L_C\right)}^2}\right|·\exp (j·{\theta }_{S11});$ 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$\frac{\tanh \left(\mathrm{\gamma d}\right)}{\mathrm{\gamma d}}=\frac{1}{\mathrm{jkd}}·\left(\frac{1-\mathrm{j\rho }\tan \left(k{x}_0\right)}{\rho -j\tan \left(k{x}_0\right)}\right),$令k·x0＝θj，有：$\frac{\tanh \left(\mathrm{\gamma d}\right)}{\mathrm{\gamma d}}=\frac{1}{\mathrm{jkd}}·\left(\frac{1-\mathrm{j\rho }\tan \left({\theta }_j\right)}{\rho -j\tan \left({\theta }_j\right)}\right)$ 其中：$\rho =\frac{1+\left|S_{11}\right|}{1-\left|S_{11}\right|},$ ${\theta }_j=\frac{{\theta }_{S_{11}}-(2·n+1)·\pi }{2}+2·{{\beta }_0}^{\prime }·(L-d),$ ${{\beta }_0}^{\prime }=\frac{2·\pi }{{{\lambda }_0}^{\prime }}·\sqrt{1-{\left(\frac{{{\lambda }_0}^{\prime }}{{\lambda }_C}\right)}^2},$ 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λc＝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：${ϵ}_r^{\prime }=\frac{k_c+{\beta }^2-{\alpha }^2}{k_0^2}$ $\tan {\delta }_{ϵ}=\frac{2\mathrm{\alpha \beta }}{k_c^2+{\beta }^2-{\alpha }^2}$ 其中，εr′为介质材料的相对介电常数，tanδε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。