專利名稱：一種基于終端短路法的高溫復介電常數測量方法
技術領域：
本發明屬于微波、毫米波技術領域，特別涉及微波、毫米波電介質材料的復介電常數測試技術。
背景技術：
微波、毫米波介質材料廣泛地應用于微波、毫米波器件和系統中。復介電常數是微波、毫米波介質材料重要的電性能指標參數之一，也是評價其微波性能的主要依據和進行微波器件設計的重要參數。在對介質材料進行研究和應用時，需要對復介電常數進行實際的測量。終端短路法常用來對介質材料的復介電常數進行常溫或高溫測量。該法具有夾具設計簡單、測試頻率范圍寬、樣品易于加工等優點。圖1為終端短路法的測試框圖，圖中利用VSWR(Voltage Standing Wave Ratio電壓駐波比)測量儀測量出裝有樣品的測試波導的駐波比以及駐波最小點到被測介質樣品輸入端的距離，并結合被測介質樣品厚度等參數來計算出樣品的復介電常數。
若采用VSWR測量儀測量被測介質樣品的復介電常數，可以在被測介質樣品的輸入端得到公式(1) 其中，γ為介質樣品波導段中的傳輸系數，d為介質樣品的長度，k為未放入被測介質樣品的測試波導部分中的相位常數，ρ為被測介質樣品部分的駐波比，x0為駐波最小點到被測介質樣品輸入端的距離。另外， γ＝α+jβ (2) 其中，α為衰減常數，β為相位常數。由(1)式求出介質樣品波導段中的傳輸系數γ后，由介質波導的條件方程可求得被測介質樣品的復介電常數 式中，εr′為介質材料的相對介電常數，tanδε為損耗角正切。其中， 其中，λ0為自由空間的波長，且λ0＝c/f0，c為自由空間的光速，f0為測試波導的諧振頻率；λc為測試波導的截止波長。
對于矩形測試波導，有 λc＝2a (7) 式中，a為測試波導的寬邊尺寸。
由公式(1)～(7)可知，當采用VSWR測試儀測量時，介質材料復介電常數為 εr＝f(d，x0，a，f0，ρ) (8) 若采用矢量網絡分析儀測量被測介質樣品的復介電常數，所測量的反射系數為S11，且S11＝|S11|·exp(j·θS11)。用矢量網絡分析儀測量反射系數S11時的精度和速度均優于利用VSWR測試儀測得的反射系數。因此，現常通過采用矢量網絡分析儀測量反射系數，再經過計算得到樣品的復介電常數，從而提高了終端短路法測量介質復介電常數的精度和速度。
令(1)式中k·x0＝θj，有 其中， 其中，L為波導測試段的空波導部分的長度，S11為采用矢量網絡分析儀測量得到的反射系數，β0為波導測試段的空波導部分的相位常數，可由(12)式求出。
再由(9)式求出介質試樣波導段中的傳輸系數后，可(3)(4)式求出樣品的相對介電常數和損耗角正切。因此，有 εr＝f(d，a，f0，S11，L)(13) 由以上分析可知，復介電常數εr的值與S11的幅值和相角相關，而S11的幅值和相角又與測試波導的微波損耗和長度相關。若采用終端短路法進行介質材料復介電常數的高溫測量，因所用測試波導的微波損耗和長度會隨溫度的變化而發生變化，從而影響到介質材料高溫復介電常數的測試結果，因此，在終端短路法中需準確知道所用測試波導在不同溫度下，尤其是在高溫下微波損耗和長度變化。
文獻“Standard test method for complex permittivity(dielectric constant)ofsolid electrical insulating materials at microwave frequencies and temperatures to1650℃，ASTM D2520-01”中，在高溫下采用如圖2所示的終端短路法來進行電介質材料復介電常數的高溫測量。文中根據所用金屬材料的熱膨脹系數來計算不同溫度下測試波導尺寸的變化，由測得的反射系數在波谷點處的3dB帶寬，即二倍最小功率法，來求出測試波導在不同溫度下的微波損耗。從圖2所示的測試框圖中可以看出，測試波導段分為了開槽線部分、隔熱部分、冷卻部分、測溫部分，其中測溫部分也是樣品加熱部分。在采用駐波最小點處的3dB帶寬來求解波導的微波損耗時，駐波比越大，探針所采樣測量的最小電場值越容易受到漏場、背景噪音等的干擾，從而帶來更大的測試誤差。
電子科技大學在其專利申請“基于終端短路法的介質材料高溫復介電常數測量方法”(申請號2007100503513)中提出了一種基于終端短路法的介質材料高溫復介電常數測量方法。該方法首先需要測量空載矩形測試波導在設定的測試溫度下的諧振腔在TE10n模式下的諧振頻率f0和無載品質因數Q0，以及相鄰模式TE10(n+1)下的諧振頻率f01，然后計算空載矩形測試波導在設定的測試溫度下的諧振腔長度L、寬邊長度a、窄邊長度b和微波損耗LC；再測量同一矩形測試波導在加載待測介質樣品后并在相同測試溫度下的諧振腔在TE10n模式下的反射系數S11M、TE10n模式下的諧振頻率f0′，最后由諧振腔長度L、寬邊長度a、窄邊長度b和微波損耗LC、TE10n模式下的反射系數S11M、TE10n模式下的諧振頻率f0′等參數計算待測介質的復介電常數。該方法用于測量待測介質復介電常數時，由于采用同一測試波導，需要兩次加熱至設定高溫，并且計算過程復雜，使得測試效率較低；同時兩次加熱至設定高溫時難免存在溫度測量的誤差，使得最終的復介電常數的測試存在因兩次設定高溫時的不一致而存在誤差。
綜上所述，國內外在利用終端短路法進行介質材料電參數測試技術方面已研究了多年，在高溫測量中計算測量測試波導段的微波損耗和長度時，誤差較大。現有利用終端短路法進行材料電參數高溫測試的方法中，不能實時從測量參數中扣除測試波導段的微波參數和實時得到長度即相位的變化，從而導致復介電常數的測試誤差增加。
發明內容
本發明的任務是提供一種基于終端短路法的介質材料高溫復介電常數測量方法，利用本發明進行介質材料高溫復介電常數測試時，可對在高溫環境下加載待測介質樣品的測試波導的反射系數進行修正，進而測量出介質材料高溫復介電常數。利用本發明測量介質材料高溫復介電常數，能夠大大減小測試誤差，使得測試結果精度更高；同時，本發明只進行一次高溫測量，使得測試效率大大提高。
本發明技術方案如下 一種基于終端短路法的介質材料高溫復介電常數測量方法，包括以下步驟 步驟1搭建如圖3所示的測量系統并進行發射校準，該測量系統由矢量網絡分析儀1、第一矩形測試波導2、第二矩形測試波導3構成；第一矩形測試波導2和第二矩形測試波導3各自通過一個波導-同軸轉換接頭與矢量網絡分析儀1相連；第一矩形測試波導2和第二矩形測試波導3的材料、形狀和尺寸相同，且內壁做相同的金屬化處理，均由散熱波導22、隔熱波導23、高溫波導24和短路板25順序連接而成。
步驟2測量常溫下第一矩形測試波導2的反射系數S11r空和第二矩形測試波導3的反射系數S22r空。
步驟3在第一矩形測試波導2中加載待測介質樣品4，所加載的待測介質樣品厚度為d，其大小與第一矩形測試波導2的截面相適應，保證待測介質樣品4與第一矩形測試波導2的內壁之間無縫隙且緊靠短路板25。
測量高溫下加載待測介質樣品之后第一矩形測試波導2的反射系數S11h和第二矩形測試波導3的反射系數S22h空，并對第一矩形測試波導2的反射系數S11h進行修正。測量過程中，采用具有溫控裝置的加熱設備對第一矩形測試波導2和第二矩形測試波導3的加熱端口，即高溫波導24和短路板25部分進行加熱并控溫，采用相應的冷卻裝置對散熱波導22和散熱波導32進行降溫，具體步驟如下 步驟3-1設置第一矩形測試波導2和第二矩形測試波導3的加熱端口溫度T； 步驟3-2測量步驟3-1所述溫度T下的第一矩形測試波導2的反射系數S11h和第二矩形測試波導3的反射系數S22h空； 步驟3-3對步驟3-2所測得的反射系數S11h進行修正，修正之后反射系數S′11為
因第一矩形測試波導2和第二矩形測試波導3相同，有
則 步驟4利用經過微波損耗修正后的S′11，計算待測介質樣品在步驟3—1所設溫度T下的復介電常數，具體包括以下步驟 步驟4-1計算待測介質樣品波導段中的傳輸系數γ，具體計算過程如下 根據令k·x0＝θj，有 其中 而λ0＝c/f0，f0為矢量網絡分析儀1輸入第一矩形測試波導2的測試信號頻率；λc為第一矩形測試波導在測試溫度T下的截止波長，且λc＝2a(1+αlT·T)，其中a是常溫下第一矩形測試波導的寬邊長，αlT為測試溫度T下第一矩形測試波導材料的線膨脹系數。由上述過程計算出被測介質樣品波導段中的傳輸系數γ＝α+jβ。
步驟4-2計算待測介質樣品的復介電常數，具體計算方法為 其中，εr′為介質材料的相對介電常數，tanδε為損耗角正切； 步驟5重新設置第一矩形測試波導2和第二矩形測試波導3的加熱端口溫度，并重復步驟3至步驟4，即可得到不同溫度下待測介質樣品復介電常數。
本發明的實質是在采用終端短路法進行介質材料復介電常數的高溫測試時，采用兩套相同的矩形測試波導，將其中一個空載矩形測試波導作為參考支路，從而對另一負載(加載待測介質樣品)矩形測試波導的反射系數進行修正，進而測量出該溫度下介質材料的復介電常數。
在利用終端短路法進行介質材料的復介電常數高溫測試時，為確保測試儀器和測試人員的安全，所用測試儀器的測試端口處應工作在室溫狀態，所以需根據所測試的溫度范圍設計高溫波導、隔熱波導、散熱波導。選擇能長期工作在所需測試的高溫環境下的金屬材料或介質材料制作高溫波導及短路板。若所選材料為介質材料，所制作的波導內壁還需金屬化處理。根據溫度分布范圍分別選擇合適的金屬材料用來制作隔熱波導、散熱波導。
本發明的有益效果 利用本發明進行介質材料高溫復介電常數測試時，可對在高溫環境下加載待測介質樣品的測試波導的反射系數進行修正，進而測量出介質材料高溫復介電常數。利用本發明測量介質材料高溫復介電常數，能夠大大減小測試誤差，使得測試結果精度更高；同時，本發明只進行一次高溫測量，使得測試效率大大提高。
圖1采用VSWR測試儀的終端短路法測量介質材料復介電常數的原理示意圖。
圖2采用VSWR測試儀的終端短路法測量介質材料復介電常數的測試系統示意圖。
圖3本發明常溫測試波導反射系數測試系統示意圖。
圖4本發明基于終端短路法的測量介質材料高溫復介電常數測量方法的系統示意圖。
具體實施例方式 本發明技術內容部分詳細描述了一種基于終端短路法的測量介質材料高溫復介電常數測量方法，該方法為了分析和計算的方便，其中所搭建測試系統的測試波導采用的是矩形波導。對于測試波導為圓柱形波導或脊波導，甚至是同軸傳輸線的情況，本發明的思想仍然使用，只是具體計算過程有所不同。采用不同形狀的測試波導而形成的各種具體實時方式，同樣能夠達到本發明所述的效果。
權利要求
1、一種基于終端短路法的介質材料高溫復介電常數測量方法，包括以下步驟
步驟1搭建測量系統并進行發射校準，該測量系統由矢量網絡分析儀、第一矩形測試波導、第二矩形測試波導構成；第一矩形測試波導和第二矩形測試波導各自通過一個波導-同軸轉換接頭與矢量網絡分析儀相連；第一矩形測試波導和第二矩形測試波導的材料、形狀和尺寸相同，且內壁做相同的金屬化處理，均由散熱波導、隔熱波導、高溫波導和短路板順序連接而成；
步驟2測量常溫下第一矩形測試波導的反射系數S11r空和第二矩形測試波導的反射系數S22r空；
步驟3在第一矩形測試波導中加載待測介質樣品，所加載的待測介質樣品厚度為d，其大小與第一矩形測試波導的截面相適應，保證待測介質樣品與第一矩形測試波導的內壁之間無縫隙且緊靠短路板；
測量高溫下加載待測介質樣品之后第一矩形測試波導的反射系數S11h和第二矩形測試波導的反射系數S22h空，并對第一矩形測試波導的反射系數S11h進行修正；測量過程中，采用具有溫控裝置的加熱設備對第一矩形測試波導和第二矩形測試波導的加熱端口，即高溫波導和短路板部分進行加熱并控溫，采用相應的冷卻裝置對散熱波導進行降溫，具體步驟如下
步驟3-1設置第一矩形測試波導和第二矩形測試波導的加熱端口溫度T；
步驟3-2測量步驟3-1所述溫度T下的第一矩形測試波導的反射系數S11h和第二矩形測試波導的反射系數S22h空；
步驟3-3對步驟3-2所測得的反射系數S11h進行修正，修正之后反射系數S′11為
因第一矩形測試波導和第二矩形測試波導相同，有
則
步驟4利用經過微波損耗修正后的S′11，計算待測介質樣品在步驟3—1所設溫度T下的復介電常數，具體包括以下步驟
步驟4-1計算待測介質樣品波導段中的傳輸系數γ，具體計算過程如下
根據令k·x0＝θj，有
其中
而λ0＝c/f0，f0為矢量網絡分析儀輸入第一矩形測試波導的測試信號頻率；λc為第一矩形測試波導在測試溫度T下的截止波長，且λc＝2a(1+αlT·T)，其中α是常溫下第一矩形測試波導的寬邊長，αlT為測試溫度T下第一矩形測試波導材料的線膨脹系數；由上述過程計算出被測介質樣品波導段中的傳輸系數γ＝α+jβ；
步驟4-2計算待測介質樣品的復介電常數，具體計算方法為
其中，εr′為介質材料的相對介電常數，tanδε為損耗角正切；
步驟5重新設置第一矩形測試波導和第二矩形測試波導的加熱端口溫度，并重復步驟3至步驟4，即可得到不同溫度下待測介質樣品復介電常數。
全文摘要
本發明屬于微波、毫米波技術領域，涉及微波、毫米波電介質材料的復介電常數的測試。本發明在采用終端短路法進行高溫介質材料復介電常數測試時，由兩個相同的矩形測試波導分別與矢量網絡分析儀相連，每個矩形測試波導由散熱波導、隔熱波導、高溫波導和短路板順序連接而成；首先測量兩個波導在常溫下的發射系數，然后在其中一個測試波導中加載待測介質樣品，再測量兩個波導在高溫測試溫度下的發射系數，利用空載波導的發射系數對加載測試樣品的波導的發射系數進行修正，進而計算得到待測介質樣品的復介電常數。利用本發明測量介質材料高溫復介電常數，能夠減小測試誤差，使得測試結果精度更高；同時，本發明只進行一次高溫測量，使得測試效率大大提高。
文檔編號G01R27/26GK101545931SQ20091005921
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者郭高鳳, 恩 李, 李仲平, 何鳳梅, 張其劭, 張大海, 王金明 申請人:電子科技大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
