一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法
2023-09-27 06:19:00
專利名稱：一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法
技術領域：
本發明屬於電子技術領域，特別涉及微波技術領域。
對微波透波材料——低損耗電介質的測試技術，當今有高Q腔法、帶狀線法、微擾法等。對不同的樣品形狀和電場極化方向應採用不同的方法。高Q腔法是用TE0mn高Q圓柱腔(TE0mnHigh Q Cylindrical Cavity)作測試腔，對電場分布要求在被測圓盤狀樣品的平面內的介質的微波復介電常數進行測試。目前我國計量院、原電子部798廠、英國NPL和美國NIST等均用此方案作計量和測試，但這些方案都是在固定測試頻率或在單一模式較窄的頻率範圍內進行測量。當前國內外對杆狀介質材料在TM0m0圓柱腔和TE10n矩形腔中應用微繞測試法，在這些方法中，文獻《計量學報》唐宗熙、張其劭，「行波管夾持杆自動測試系統」中提供的方法能對杆狀電介質樣品進行選頻段測試，在4～13GHz頻率範圍內有3個頻率測試點，此方法針對不同樣品選擇不同頻率點進行測試，並不能滿足同一被測樣品進行多頻率點測試的需求對片狀介質材料的測試方法，中國專利固體介質復介電常數測量方法，(專利號00113803)採用準光腔進行測試，通過腔體加載樣品前後的諧振頻率和Q值變化來計算復介電常數，此方法是利用等效網絡完成復介電常數的測試，其工作模式為準TEM模；中國專利微波介質基片復介電常數測試傳感器(專利號89213062)利用帶狀線諧振器的頻率分布對片狀介質材料進行測試，此方法通過製作帶狀線諧振器，利用同軸與諧振器的耦合，直接測試樣品TEM模的頻率分布和對應無載品質因數Q0來計算得復介電常數，該方法的極化方向與樣品平面垂直；中國專利非金屬材料微波介電性能的測試方法及其實施設備(專利號95109276)利用諧振腔和截止波導的方法進行測試，利用有無樣品的的諧振頻率和Q0值變化得到復介電常數，並通過諧振腔尺寸的改變得到不同頻率下的電性能參數，但頻率範圍窄，測試過程複雜。
據本發明人所知，現有的文獻和測試方法，未解決的問題是(1)不改變腔體尺寸，進行電場極化方向平行於樣品表面，寬頻帶復介電常數測試；(2)一到兩個倍頻程寬頻帶內，空腔模式的識別問題；(3)寬頻帶內，多個諧振頻率情況下，加載介質試樣後，模式的自動尋找問題；(4)寬頻帶內，幹擾模式的排除問題。
本發明是通過以下幾步實現的第一步，諧振腔的研製本發明首先根據測試需要，設計分別覆蓋2～7GHz和7～18GHz的兩個一腔多模圓柱諧振腔。其中，覆蓋2～7GHz的一腔多模圓柱諧振腔體，我們稱為大腔體；覆蓋7～18GHz的一腔多模圓柱諧振腔體，我們稱為小腔體。根據式(1)，可編程計算出不同模式的諧振頻率，由需要的模式頻率即目標模式頻率，滿足在所要求頻帶內無幹擾模式的條件，來確定這兩個諧振腔的尺寸。在本專利文件中，所需的模式即為目標模式。(f0D)2=(cX0m)2+(cn2)2(DL1)2---(1)]]>式中，fo為空腔的諧振頻率，c為光速，L1為腔體的長度，D為腔體的直徑。X0m為貝塞爾函數一階導函數J0＇(X0m)＝0的根(m＝1，2，3，…)，n為諧振模式的縱向半波長數。
由式(1)，滿足目標模式與上下相鄰模式的頻率差比目標模式諧振曲線3dB點帶寬大100倍以上的條件，優化選取腔體的直徑和長度，經過一系列仿真優化，分別得到2～7GHz腔體和7～18GHz的腔體尺寸。以所需模式之一TE014模為例，由優化後得到的腔體的尺寸來計算此模式的諧振頻率，可以得到以此頻率為中心在一定帶寬內、相近模式的分布圖，如圖1、圖2所示。用網絡分析儀測試，得到2～7GHz腔體在TE014模200MHz內的諧振頻率分布圖，如圖6所示，和7～18GHz腔體在TE014模500MHz內的諧振頻率分布圖，如圖8所示。圖中所標頻率點「MARKER1」為TE014模對應的諧振頻率。通過測試後，得知每個所需模式的無載品質因數均高於40000，最高超過了100000。從計算結果和測試圖中的諧振頻率分布看，所需模式無交叉幹擾模式，且離相鄰模式的諧振頻率足夠遠(可以指出的是，這裡所選TE014模為例子，它在TE01n一系列目標模式中是最「差的」一個，即其他目標模式離相鄰模式更遠，更「乾淨」)，從理論上保證了諧振腔具有「乾淨」的諧振特性和很高的無載品質因數，為樣品微波復介電常數的準確測試提供了保證。
第二步，諧振空腔所需模式的等效「腔體尺寸」和無載品質因數Q0的獲得由於環境溫度的影響，腔體的尺寸有微小變化，耦合裝置的引入，加載樣品所需的滑動活塞與腔壁間的縫隙，均將引起諧振頻率的微弱變化，它們對不同的諧振模式的擾動不一致，因此腔體的等效長度在不同模式是不同的。在本專利中，要對微波介質復介電常數進行準確測試，必須確定腔體在不同模式TE0mn的精確等效長度和無載品質因數Q0。本發明通過對不同模式諧振頻率的找尋，測得準確的諧振頻率和無載品質因數Q0，由諧振頻率可計算得到不同模式的等效「腔體尺寸」L。
針對通過第一步獲得的兩個固定幾何尺寸的圓柱諧振腔，分別在2～7GHz和7～18GHz的頻率範圍內進行測量，其空腔的測試頻率點最多分別可達15和14個。
由空腔的設計尺寸直徑D和長度L1，根據式(1)計算得到所需最低模式TE011的諧振頻率。由於低模式區的模式密度小，可很方便地找到目標模式。測得此模式的諧振頻率f0和無載品質因數Q0，固定腔體的直徑D，將此諧振頻率f0代入式(1)計算得到腔體最低模式TE011的準確等效長度L。根據得到的所需低模式的腔體等效長度L，由式(1)解得所需高模式TE0mn模式諧振頻率的初值。用網絡分析儀在這個諧振頻率附近測得此TE0mn模式的諧振頻率f0和無載品質因數Q0，將測得的諧振頻率f0帶入式(1)計算得腔體在此模式TE0mn下的準確長度L。依此類推，測試得到各所需模式的諧振頻率f0和無載品質因數Q0，將測得的諧振頻率f0代入式(1)計算就可以得到對應模式的等效精確長度L。
在固定幾何尺寸的空腔中，存在上百個模式，只需其中足以分立地覆蓋所需寬頻帶的多個高Q TE0mn模式，這涉及模式識別。用網絡分析儀測試諧振空腔的諧振頻率和無載品質因數Q0，整個操作過程由計算機控制進行自動測試，測試系統圖如圖3所示，測試數據可內存於計算機，也可用印表機列印輸出。
第三步，被測樣品加載諧振腔後，各個所需模式的諧振頻率和無載品質因數的獲得第二步完成後，向腔體的最下部置入所要測試的樣品，如圖4所示。由於樣品的置入，各模式的諧振頻率受到不同的擾動，引起大小不等的頻率變化，原來的空腔模式排列被打亂。對照圖6和圖10，圖8和圖12、圖14，可以看出腔體的模式分布被打亂。在可能測試的TE0mn中最低模式TE011上，其頻率變動較小，且在低模式區，模式密度小，不會發生模式排列交叉的情況，也就是在低模式區其模式排列受到被測樣品置入後的影響很小，因此，我們只需稍加大掃頻範圍，就可在原諧振峰(未置入試樣的空腔時)稍低的頻率上找到受擾後的諧振峰，利用圖4所示測試系統，測得樣品加載諧振腔後在該最低模式TE011的諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε。由式(2)、(3)、(4)計算出被測樣品對應模式TE011頻率下的介電常數εr，以此εr值代入式(2)、(3)、(4)計算所需高模式TE0mn模的受擾諧振頻率。如圖4所示，設置網絡分析儀的中心頻率為計算所得所需高模式TE0mn的受擾諧振頻率，可準確測得所需高模式的諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε。依此類推，可測得樣品加載後各個所需模式TE0mn的諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε。2=[(2f0/c)2r-(2X0m/D)2]----(2)]]>02=[(2f0/c)2-(2X0m/D)2]---(3)]]>tan(d)+tan[0(L-d)]0=0----(4)]]>tan=(1+upvr)[1Q0-1Q00']---(5)]]>其中1Q00'=1Q00(f0f0)52[(2X0mD)2(pv+u)+D(p2+02)](pvr+u)[(2X0mD)2(1-DL)+(2f0c)2DL]---(6)]]>p=[sin0(L-d)sind]2---(7)]]>u=2(L-d)-sin20(L-d)0---(8)]]>v=2d-sin2d---(9)]]>π＝3.1415926 (10)式中，β0為腔體空氣部分的相位常數，βε為腔體樣品部分的相位常數，f0為空腔的各個所需模式的諧振頻率，f0ε為樣品加載腔體後對應的各個所需模式的諧振頻率，εr為被測樣品的相對介電常數，tanδ為被測樣品的損耗角正切，c為光速，L為各種所需模式腔體的等效長度，D為腔體的直徑，X0m為貝塞爾函數一階導函數J0＇(X0m)＝0的根(m＝1，2，3，…)，n為諧振模式的縱向半波長數，d為被測樣品的厚度。
第四步 樣品復介電常數的計算根據第二步得到的各種所需模式的等效腔體尺寸L和無載品質因數Q0，以及第三步得到的樣品加載諧振腔的各種對應所需諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε，分別由式(2)、(3)、(4)計算出不同頻率下的介電常數εr，由式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)計算得到不同頻率下的損耗角正切tanδ。目前微波復介電常數的通用表達方式，是用介電常數εr和損耗角正切tanδ進行表示。
綜上所述，本發明的實質是應用一腔多模技術，設計並製作出寬頻帶內模式「乾淨」的多頻率點、高Q圓柱測試諧振腔；根據圓柱諧振腔的基本原理，在2～7GHz和7～18GHz頻率範圍內，由理論計算各目標模式的諧振頻率，以之幫助完成測試空腔諧振器中各目標模式的識別，從而完成腔體內所需模式的等效「腔體尺寸」和無載品質因數Q0的獲得；對介質試樣加載後的諧振腔，用最低所需模式的測試結果計算各目標模式受擾後的頻率，以之幫助自動尋找對應模式的諧振頻率，完成不同頻率的電介質復介電常數測試。
本發明利用一腔多模技術，研製出不改變腔體尺寸覆蓋多個頻率點的高Q諧振腔，為寬頻帶低損耗電介質復介電常數的準確測試打下了基礎；利用不同模式的諧振曲線自動尋找技術，準確找到空腔的諧振曲線和介質試樣加載後的諧振曲線，完成對電介質復介電常數的寬頻帶多頻率點準確自動測試；通過確定不同模式空腔的等效尺寸和無載品質因數，為保證介質損耗的測試精確度提供了理論依據。本發明的測試條件為電場分布在被測樣品圓盤狀的平面內，本發明不僅適合各向同性電介質材料的微波復介電常數的測試，同時可對要求電場分布在樣品圓盤狀的平面內的各向異性電介質進行復介電常數測試。微波介質復介電常數的寬頻帶、多頻率點、準確測得的數據，對於更加準確設計製作寬頻帶微波電路、微波天線及天線罩具有重要的意義，為材料電特性研究提供了寶貴數據。
圖1大腔空腔尺寸確定後，以TE014模諧振頻率為中心，帶寬為200MHz的所有頻率分布圖從圖中可以看出，空腔中的其它模式遠離所需模式。在各個所需模式中，圖中所示模式與相鄰模式的相對頻率差是最小的。
圖2小腔空腔確定尺寸後，以TE014模諧振頻率為中心，帶寬為500MHz的所有頻率分布圖從圖中可以看出，空腔中的其它模式遠離所需模式。在各個所需模式中，圖中所示模式與相鄰模式的相對頻率差是最小的。
圖3諧振空腔測試系統4加載樣品諧振腔測試系統5自動測試流程6大腔空腔以用TE013模諧振頻率計算得到的TE014模諧振頻率為中心，帶寬200MHz內所有模式諧振頻率分布圖其中，頻率點「MARKER1」是TE014模的實際諧振頻率，從圖中的諧振頻率分布可以看出，所需的模式無交叉幹擾模式，且離相鄰模式的諧振頻率足夠遠，利用本發明的技術可以識別出TE014模實際的諧振頻率；圖7大腔空腔TE014模諧振曲線由圖中可看出3dB帶寬為108.552KHz，諧振頻率為3934MHz，諧振頻率處衰減小於4dB，諧振腔體的有載品質因數大於36000；由於本諧振腔的耦合比較強，測得無載品質因數大於55000；圖8小腔空腔以用TE013模諧振頻率計算得到的TE014模諧振頻率為中心，帶寬500MHz內所有模式諧振頻率分布圖其中，頻率點「MARKER1」是TE014模的實際諧振頻率，從圖中的諧振頻率分布可以看出，所需的模式無交叉幹擾模式，且離相鄰模式的諧振頻率足夠遠，利用本發明的技術可以識別出TE014模實際的諧振頻率。
圖9小腔空腔TE014模諧振曲線由圖中可看出3dB帶寬為205.551KHz，諧振頻率為102671MHz，諧振頻率處衰減大於40dB。諧振腔體的有載品質因數大於49000，由於本諧振腔的耦合較弱，測得無載品質因數略大於有載品質因數；圖10大腔加微泡塑料後，以用TE013測試結果、計算得到的TE014模諧振頻率為中心，帶寬200MHz內所有模式諧振頻率分布圖從圖中的諧振頻率分布可以看出，與空腔的模式頻率分布不一致，其中「MARKER1」是按本發明第二步的方法找尋到的受擾後TE014模的諧振頻率。
圖11大腔加微泡塑料後TE014模諧振曲線；圖12小腔加載聚四氟乙烯後，以用TE013測試結果，計算所得TE014模諧振頻率為中心，帶寬200MHz內所有模式諧振頻率分布圖；從圖中的諧振頻率分布可以看出，與空腔的模式頻率分布不一致，其中「MARKER1」是按本發明第二步的方法找尋到的受擾後TE014模的諧振頻率。
圖13小腔加載聚四氟乙烯後TE014模諧振曲線；圖14小腔加載陶瓷後，以TE013測試結果、計算所得TE014模諧振頻率為中心，帶寬200MHz內所有模式諧振頻率分布圖；從圖中的諧振頻率分布可以看出，與空腔的模式頻率分布不一致，其中「MARKER1」是按本發明第二步的方法找尋到的受擾後TE014模的諧振頻率。
圖15小腔加載聚四氟乙烯後TE014模諧振曲線；圖16大腔體對微泡塑料復介電常數測試結果此測試結果包含了8個頻率測試點，頻率範圍覆蓋了2～7GHz；由於微泡塑料中所佔空氣比例甚大，其介電常數甚低，損耗角正切也較低；圖17小腔體對陶瓷復介電常數測試結果此測試結果包含了7個頻率測試點，頻率範圍覆蓋了7～18GHz，測試結果與文獻的數值具有很好的吻合；圖18小腔體對聚四氟乙烯復介電常數測試結果此測試結果包含了7個頻率測試點，頻率範圍覆蓋了7～18GHz，測試結果與文獻的數值具有很好的吻合；圖19小腔體對塑料泡沫復介電常數測試結果此測試結果包含了7個頻率測試點，頻率範圍覆蓋了7～18GHz，由於塑料泡沫是用塑料發泡後形成的，其介電常數較低。可以看出，測試結果與實際吻合。
利用本發明，分別對空腔和幾種樣品進行測試。以TE014模為例，空腔的諧振頻率分布和諧振曲線見圖6～9，由於在耦合裝置中採用了合理設計的耦合方式，抑制了部分不希望的模式；比較圖1和圖6、圖2和圖8可知，除因耦合過弱而被成功地抑制的臨近模式諧振外，理論計算的諧振頻率分布和實際測得的諧振頻率分布是一致的。按照本發明方法完成第一步、第二步後，分別在腔體中加入微泡塑料、聚四氟乙烯和陶瓷，分別在如圖10、圖12和圖14的諧振頻率分布中找到樣品加載後TE014模的諧振頻率(由「MARKER 1」標出)，測得的TE014模諧振曲線分別見圖11、圖13和圖15。對不同樣品的測試結果見圖16～19，測試頻率範圍覆蓋了2～18GHz，介電常數包含有1.1、1.17、2.2、8.9。
由此可知，利用本發明的測試方法，能在多達上百個諧振模式群中，準確地找到目標模式TE0mn的空腔和加載腔的諧振頻率，從而獲得與理論值很好吻合的介質復介電常數測試結果。
權利要求
1.一種一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法，其特徵是採用以下步驟實現的第一步，諧振腔的研製本發明首先根據測試需要，設計出了分別覆蓋2～7GHz和7～18GHz的兩個一腔多模圓柱諧振腔，即大腔體和小腔體，根據式(1)，可編程計算出不同模式的諧振頻率，由需要的模式頻率即目標模式頻率，滿足目標模式與上下相鄰模式的頻率差比目標模式諧振曲線3dB點帶寬大100倍以上的條件，確定所述兩個諧振腔體的尺寸D和L1；(f0D)2=(cX0m)2+(cn2)2(DL1)2---(1)]]>第二步，諧振空腔所需模式的等效「腔體尺寸」L和無載品質因數Q0的獲得由空腔的設計尺寸直徑D和長度L1，根據式(1)計算得到低模式TE011的諧振頻率；由於低模式區的模式密度小，可很方便地找到目標模式，測得此模式的諧振頻率f0和無載品質因數Q0，腔體的直徑D為固定值，將此諧振頻率f0帶入式(1)計算得到腔體最低模式TE011的等效準確長度L；根據得到所需低模式的腔體等效長度L，由式(1)解得所需高模式TE0mn模式的諧振頻率的初值；用網絡分析儀在這些諧振頻率附近測得各TE0mn模式的的諧振頻率f0和無載品質因數Q0，將測得的諧振頻率f0帶入式(1)計算就可以得到對應模式的精確等效長度L；第三步，被測樣品加載諧振腔後，各個所需模式的諧振頻率和無載品質因數的獲得測得樣品加載諧振腔在該最低模式TE011或TE012的的諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε，由式(2)、(3)、(4)計算出被測樣品在模式TE011的介電常數εr，以此εr值代入式(2)、(3)、(4)計算高一次所需模式TE0mn模的受擾諧振頻率；設置網絡分析儀的中心頻率為計算所得高一次所需模式TE0mn的受擾諧振頻率，可準確測得高一次所需模式的諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε；依此類推，可測得樣品加載後各種所需模式TE0mn的諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε；2=[(2f0/c)2r-(2X0m/D)2]----(2)]]>02=[(2f0/c)2-(2X0m/D)2]---(3)]]>tan(d)+tan[0(L-d)]0=0----(4)]]>tan=(1+upvr)[1Q0-1Q00']---(5)]]>其中1Q00'=1Q00(f0f0)52[(2X0mD)2(pv+u)+D(p2+02)](pvr+u)[(2X0mD)2(1-DL)+(2f0c)2DL]---(6)]]>p=[sin0(L-d)sind]2---(7)]]>u=2(L-d)-sin20(L-d)0---(8)]]>v=2d-sin2d---(9)]]>π＝3.1415926(10)第四步，樣品復介電常數的計算根據第二步得到的得到的各種所需模式的等效腔體尺寸L和無載品質因數Q0，以及第三步得到的樣品加載諧振腔的各種對應所需諧振頻率f0ε和無載品質因數Q0ε；分別由式(2)、(3)、(4)計算出不同頻率下的介電常數εr，由式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)計算得到不同頻率下的損耗角正切tanδ。
2.根據權利要求1所述一種一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法，其特徵是所述的大腔體測試頻率範圍覆蓋2～7GHz(接近兩個倍頻程)，所述的小腔體測試頻率範圍覆蓋7～18GHz(接近兩個倍頻程)。
3.根據權利要求1所述一種一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法，其特徵是所述的該測試方法可用於測量各向異性材料，其電場極化方向平行於樣品表面。
4.根據權利要求1所述一種一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法，其特徵是，採用一個測試腔，在所覆蓋的頻率範圍內可作7個，最多可達14個頻率點的測試。
全文摘要
本發明提供了一種一腔多模寬頻多點微波介質復介電常數測試方法，它是通過設計並製作出寬頻帶內模式「乾淨」的多頻率點、高Q圓柱測試諧振腔，在2～18GHz頻帶內，計算各目標模式的諧振頻率，完成測試空腔諧振器中各目標模式的識別，從而獲得腔體內所需模式的等效「腔體尺寸」和無載品質因數Q
文檔編號G01R27/26GK1405569SQ01108708
公開日2003年3月26日 申請日期2001年8月8日 優先權日2001年8月8日
發明者郭高鳳, 李恩, 張其劭 申請人:電子科技大學