[发明专利]1GHz～8GHz同轴线-介质圆波导谐振腔及介电参数测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及谐振腔电介质测试方法，尤其涉及一种用于1GHz～8GHz电介质测量的同轴线-介质圆波导谐振腔及介电参数测试方法。

背景技术

在微波频段，非磁性介质的基本电学参数，即相对介电常数ε_r、介质损耗角正切tanδ，是研究材料和研制相应介质元器件，如基片、介质谐振器、介质滤波器、介质天线、微带天线、低温共烧陶瓷(LTCC)、微波模块、微波集成的基础。众所周知，在频率1GHz～8GHz的电介质测量，当前常用的同轴线传输测试方法是圆环样品的反射-传输测量或圆柱样品的反射-传输测量。前者由于样品与同轴线内、外导体的配合间隙，导致非常可观的测量偏差，并随介电常数的增大而快速升高。后者由于同轴线-充满介质圆波导组合结构中存在一系列TM_0p模，使计算极其复杂。本方法采用同轴线-圆波导组合结构的谐振原理，使在同轴线和同轴线内导体内导体与金属短路板之间的间隔处充满介质而形成的组合腔体在最低波模谐振。这样，被同轴线-介质圆波导这个不连续界面所激励起的只有TM₀₁模。导致在同轴线中只有TEM导行波和TM₀₁消逝波，介质圆波导中只有TM₀₁消逝波或导行波。从而实现在TM₀₁模下测量材料的ε_r和tanδ。这不仅克服了在同轴线中制备和插入紧密配合的圆环状样品的困难，而且实现了样品中电磁场分布与样品尺寸及工作频率无关，以及样品径向尺寸与金属壁的配合误差不再是引起测量不确定性的主要因素。可以用于测量介电常数从接近于1到约为100的介质材料。特别适宜于单面敷金属板基片和泡沫材料的测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种1GHz～8GHz的同轴线-介质圆波导谐振腔的介电参数测试装置及其测试方法。

1GHz～8GHz频段用于电介质测量的同轴线-介质圆波导谐振腔的测量装置包括同轴线外导体、同轴线内导体、可移动探针、可调节短路器、输入耦合环、圆柱介质样品、金属短路板、微波输入信号和输出驻波信号；同轴线外导体和同轴线内导体为同轴结构、同轴线外导体上设有轴向缝隙，在轴向缝隙上设有可移动探针构成空气同轴测量线；空气同轴测量线的一端设有行程为100mm的可调节短路器，可调节短路器上设有输入耦合环；空气同轴测量线另一端端部设有金属短路板，同轴线内导体与金属短路板之间设有间隔，在间隔内充满圆柱介质样品，圆柱介质样品、金属短路板与同轴线外导体构成介质圆波导；输入耦合环与微波输入信号相接，从可移动探针探测到谐振时的输出驻波信号振幅，得到电压驻波比，与输出驻波信号相位有关的长度由可调节短路器的刻度读出。

所述的同轴线外导体内径与同轴线内导体外径之比为2.3～3.5。所述同轴线外导体上的轴向缝隙长度为200mm、宽度为1mm、离圆柱介质样品表面的距离为10mm。所述的圆柱介质样品的厚度为1～12mm。

1GHz～8GHz的同轴线-介质圆波导谐振腔的介电参数测试方法是：利用最低次波模谐振，使同轴线中仅有TEM导行波和TM₀₁消逝波，介质中只存在TM₀₁消逝波或导行波；用测量第一个波节到样品表面的距离和电压驻波比，求值材料在TM₀₁模下的ε_r和tanδ，方法的具体步骤如下：

(1)测量谐振下的第一个波节到样品表面的距离l₀：

在给定频率v_r下，放入介质样品，调节短路器达到腔体谐振，记下同轴线-介质圆波导状态时可调节短路器的读数L_i，用金属短路板取代样品，再次调节短路器，使在相同频率下重新谐振，记下同轴线-短路板状态时可调节短路器读数L₀，得出第一个波节到样品表面的距离为：

l₀＝c/(2v_r)-(L₀-L_i)    (1)

这里，c是空气中的光速，

(2)测量谐振下的电压驻波比s：

用接到输出探针的传感器-微波功率计，移动测量线上的可移动探针，测定同轴线-介质圆波导状态时在上述谐振频率v_r下驻波峰值和谷值的功率计读数P_imax和P_imin，有

s_i＝(P_imin/_Pimax)^1/2    (2)