一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置的製作方法

2023-09-19 20:06:55 1

專利名稱：一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於介質材料測試技術領域，涉及微波、毫米波頻段介質材料復介電常數測試用準光學諧振腔。
背景技術：
介質材料的復介電常數測量方法按測試原理主要分為兩大類網絡參數法和諧振法。網絡參數法一般適用於中高損耗的電介質材料的復介電常數測量中，諧振法則適用於低損電介質耗材料的復介電常數測量。諧振法又分為微擾法、高Q腔法、傳輸諧振器法、介質諧振器法和準光學諧振腔法等。其中，準光學諧振腔法常用於毫米波頻段的電介質材料復介電常數測試中。準光學諧振腔，簡稱準光腔。常用的準光腔結構有兩種一種是對稱雙凹腔結構，由兩個凹面鏡正對放置而成；一種是平凹腔結構，由ー個平面鏡和ー個凹面鏡正對放置而成。在毫米波段，準光腔比較常用的耦合方式是小孔耦合。此種耦合方式能有效的激勵起準光腔內的電磁場，具有結構簡單、加工方便的特點；但缺點是耦合孔的位置一旦確定，電磁波耦合能量的大小也就相應確定下來，不具有可調性。文獻「Gaussian-BeamOpen Resonator with Highly Reflective CircularCoupling Regions，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1993，vol.41, No. 10，pl71(Tl714. 」提出了ー種採用金屬柵欄薄膜進行電磁波能量耦合的方式，但此種能量耦合方式對金屬條欄的間距要求比較苛刻，需要很高的加工エ藝。文獻「TheInfluence of a Coupling Film on Ultra-Low-Loss DielectricMeasurement Using an Open Resonator,Journal Millimeter TerahertzWaves, 2011，vol. 32，p935_942 ，，和文獻「 Measurement of Dielectric Properties forLow-Loss Materials at Millimeter Wavelengths, Journal Millimeter TerahertzWaves, 2012，vol. 32，p838^847. 」採用在球面鏡間斜插入ー塊耦合膜片進行能量耦合，膜片的插入角度需與準光腔的光軸呈45°角。系統利用天線將發射電磁波對準光腔進行激勵。此耦合方式適合於太赫茲頻段，運用毫米波段系統構成太複雜。
發明內容本實用新型提供一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，具有結構簡單、製作方便和耦合能量可調的特點，適用於微波、毫米波寬頻段範圍電介質材料復介電常數的測試。本實用新型的技術方案如下一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，如圖1、2所示，包括準光學諧振腔I、同軸線耦合圓環2和矢量網絡分析儀3。所述準光學諧振腔I為由兩個凹面鏡正對放置而成的對稱雙凹腔或由ー個平面鏡和ー個凹面鏡正對放置而成的平凹腔。所述同軸線耦合圓環(2)為連接同軸線內導體和外導體的圓環狀金屬導體。對於準光學諧振腔I為對稱雙凹腔的介質材料復介電常數測試裝置而言，矢量網絡分析儀3產生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過對稱雙凹腔中位於第一凹面鏡11中心的耦合孔(即耦合輸入孔)111後經第一同軸線耦合圓環21耦合入對稱雙凹腔；對稱雙凹腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環22耦合輸出，穿過對稱雙凹腔中位於第二凹面鏡12中心的耦合孔121後經另一段同軸線傳回至矢量網絡分析儀3。對於準光學諧振腔I為平凹腔的介質材料復介電常數測試裝置而言，矢量網絡分析儀3產生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過平凹腔中位於凹面鏡11中心附近的輸入耦合孔111後經第一同軸線耦合圓環21耦合入平凹腔；平凹腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環22耦合輸出，穿過平凹腔中位於凹面鏡11中心附近的輸出耦合孔121後經另一段同軸線傳回至矢量網絡分析儀3。本實用新型提供的基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，具體工作過程是矢量網絡分析儀3產生的測試信號通過同軸線傳輸，穿過準光學諧振腔的耦合輸
入孔，經第一同軸線耦合圓環21耦合入準光學諧振腔；被測介質樣品置於準光學諧振腔中(對於對稱雙凹腔而言，被測介質樣品置於雙凹腔的正中心；對於平凹腔而言，被測介質樣品置於平面鏡的正中心)的測試位置；準光學諧振腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環22耦合輸出，穿過準光學諧振腔的耦合輸出孔，最後經另一段同軸線傳回矢量網絡分析儀3。利用矢量網絡分析儀3和相應的測試軟體對被測介質樣品進行測試。通過調節所述第一同軸線耦合圓環21和第二同軸線耦合圓環22的尺寸大小能夠實現信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調節。所述凹面鏡或平面鏡為金屬材料製作或玻璃基底加表面金屬化製作。本實用新型提供的基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，對信號耦合方式進行了改進，在採用準光學諧振腔的直接耦合孔基礎上，増加了連接同軸線內導體和外導體的圓環狀金屬導體-同軸線耦合圓環，由於同軸線耦合圓環的尺寸大小能夠任意調節，這樣就能夠通過調節同軸線耦合圓環的尺寸大小來實現信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調節，從而實現了耦合能量的可調性。同時，本實用新型提供的基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置沒有採用金屬柵欄薄膜或耦合膜片的能量耦合方式，使得本實用新型具有結構簡單、操作方面的特點。

圖I是本實用新型提供的基於對稱雙凹腔的介質材料復介電常數測試裝置結構示意圖。圖2是本實用新型提供的基於平凹腔的介質材料復介電常數測試裝置結構示意圖。圖3是對稱雙凹腔結構示意圖。圖4是平凹腔結構示意圖。圖5是對稱雙凹腔中凹面鏡示意圖。圖6是平凹腔中凹面鏡示意圖。圖I至圖6中I是準學諧振腔，2是同軸線耦合圓環，3是矢量網絡分析儀；11是對稱雙凹腔中第一凹面鏡或平凹腔中凹面鏡，12是對稱雙凹腔中第二凹面鏡或平凹腔中平面鏡，21是第一同軸線耦合圓環，22是第二同軸線耦合圓環，111是對稱雙凹腔中第一凹面鏡中心的輸入能量耦合孔或平凹腔中凹面鏡中心附近的輸入能量耦合孔，121對稱雙凹腔中第二凹面鏡中心的輸出能量耦合孔或平凹腔中凹面鏡中心附近的輸出能量耦合孔。
具體實施方式
一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，如圖1、2所示，包括準光學諧振腔I、同軸線耦合圓環2和矢量網絡分析儀3。所述準光學諧振腔I為由兩個凹面鏡正對放置而成的對稱雙凹腔或由ー個平面鏡和ー個凹面鏡正對放置而成的平凹腔。所述同軸線耦合圓環(2)為連接同軸線內導體和外導體的圓環狀金屬導體。對於準光學諧振腔I為對稱雙凹腔的介質材料復介電常數測試裝置而言，矢量網絡分析儀3產生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過對稱雙凹腔中位於第一凹面鏡11中心的耦合孔(即耦合輸入孔)111後經第一同軸線耦合圓環21耦合入對稱雙凹腔；對稱雙凹腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環22耦合輸出，穿過對稱雙凹腔中位於第二凹面鏡12中心的耦合孔121 後經另一段同軸線傳回至矢量網絡分析儀3。對於準光學諧振腔I為平凹腔的介質材料復介電常數測試裝置而言，矢量網絡分析儀3產生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過平凹腔中位於凹面鏡11中心附近的輸入耦合孔111後經第一同軸線耦合圓環21耦合入平凹腔；平凹腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環22耦合輸出，穿過平凹腔中位於凹面鏡11中心附近的輸出耦合孔121後經另一段同軸線傳回至矢量網絡分析儀3。通過調節所述第一同軸線耦合圓環21和第二同軸線耦合圓環22的尺寸大小能夠實現信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調節。所述凹面鏡或平面鏡為金屬材料製作或玻璃基底加表面金屬化製作。本實用新型提供的基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，具體工作過程是矢量網絡分析儀3產生的測試信號通過同軸線傳輸，穿過準光學諧振腔的耦合輸入孔，經第一同軸線耦合圓環21耦合入準光學諧振腔；被測介質樣品置於準光學諧振腔中(對於對稱雙凹腔而言，被測介質樣品置於雙凹腔的正中心；對於平凹腔而言，被測介質樣品置於平面鏡的正中心)的正中位置；準光學諧振腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環22耦合輸出，穿過準光學諧振腔的耦合輸出孔，最後經另一段同軸線傳回矢量網絡分析儀3。利用矢量網絡分析儀3和相應的測試軟體對被測介質樣品進行測試。利用基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置進行介質材料復介電常數測量過程如下首先利用網絡分析儀3測出準光學諧振腔I空載時的諧振頻率も和品質因數Qtl ;然後將被測介質樣品置於準光學諧振腔I的負載位置(對於對稱雙凹腔而言，被測介質樣品置於雙凹腔的正中心；對於平凹腔而言，被測介質樣品置於平面鏡的正中心)，利用網絡分析儀3測出準光學諧振腔I加載被測介質樣品後的諧振頻率な和品質因數Qs ;再根據腔體加載樣品前後的諧振頻率和無載品質因數的變化，可計算得到介質材料的相對介電常數和損耗角正切。其計算公式如下根據準光學諧振腔基模諧振頻#八式
nII-Jm = ^^+{+—arcta^J)/^ -J))](I)[0030]式中，c為光速，D為準光學諧振腔的腔長(從耦合孔下端到平面鏡上端的距離)，R0為球面鏡的曲率半徑，Q為準光學諧振腔的縱向模數。由先前記錄的空腔諧振頻率ち和腔長D (測量得到的)，即可反算出基模的諧振模式。當諧振模式確定後，根據空腔諧振頻率も和q值，可以反算出更加精確的腔長D。樣品的相對介電常數的計算公式為
權利要求1.一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，包括準光學諧振腔(I)、同軸線耦合圓環(2)和矢量網絡分析儀(3);所述準光學諧振腔(I)為由兩個凹面鏡正對放置而成的對稱雙凹腔或由ー個平面鏡和ー個凹面鏡正對放置而成的平凹腔；所述同軸線耦合圓環(2)為連接同軸線內導體和外導體的圓環狀金屬導體；其特徵在於 對於準光學諧振腔(I)為對稱雙凹腔的介質材料復介電常數測試裝置而言，矢量網絡分析儀(3)產生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過對稱雙凹腔中位於第一凹面鏡(11)中心的輸入能量I禹合孔(111)後經第一同軸線稱合圓環(21) f禹合入對稱雙凹腔；對稱雙凹腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環(22)耦合輸出，穿過對稱雙凹腔中位於第二凹面鏡(12)中心的輸出能量耦合孔(121)後經另一段同軸線傳回至矢量網絡分析儀(3);對於準光學諧振腔(I)為平凹腔的介質材料復介電常數測試裝置而言，矢量網絡分析儀(3)產生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過平凹腔中位於凹面鏡(11)中心附近的輸入能量耦合孔(111)後經第一同軸線耦合圓環(21)耦合入平凹腔；平凹腔所產生的輸出信號經第ニ同軸線耦合圓環(22)耦合輸出，穿過平凹腔中位於凹面鏡(11)中心附近的輸出能量耦合孔(121)後經另一段同軸線傳回至矢量網絡分析儀(3)。
2.根據權利要求I所述的基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，其特徵在於，通過調節所述第一同軸線耦合圓環(21)和所述第二同軸線耦合圓環(22)的尺寸大小能夠實現信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調節。
3.根據權利要求I或2所述的基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，其特徵在於，所述凹面鏡或平面鏡為金屬材料製作或玻璃基底加表面金屬化製作。
專利摘要一種基於準光學諧振腔的介質材料復介電常數測試裝置，屬於介質材料測試技術領域。包括準光學諧振腔、同軸線耦合圓環和矢量網絡分析儀；準光學諧振腔為對稱雙凹腔或平凹腔；同軸線耦合圓環為連接同軸線內導體和外導體的圓環狀金屬導體。測試信號經同軸線、耦合輸入孔和第一同軸線耦合圓環進入諧振腔；諧振腔所產生的輸出信號經第二同軸線耦合圓環輸出，穿過耦合輸出孔，最後經另一段同軸線傳回矢量網絡分析儀。本實用新型在準光學諧振腔的直接耦合孔基礎上，增加了同軸線耦合圓環，通過調節同軸線耦合圓環的尺寸大小實現了信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調節，從而實現了耦合能量的可調性。同時，本實用新型具有結構簡單、操作方面的特點。
文檔編號G01R27/26GK202661552SQ20122025987
公開日2013年1月9日 申請日期2012年6月4日 優先權日2012年6月4日
發明者李恩, 郭高鳳, 何鳳梅, 陳聰慧, 戈弋, 高源慈, 聶瑞星 申請人:電子科技大學