微波陶瓷材料快速檢測裝置及其檢測方法
2023-05-28 06:42:11 1
專利名稱：微波陶瓷材料快速檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種微波陶瓷材料的檢測，尤其是涉及一種微波介質材料的介電性能參數即相對介電常數、介質損耗係數和溫度係數的快速檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
近年來，微波介質陶瓷材料已被廣泛用來製作諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質波導迴路等，在現代通信領域正發揮著越來越大的作用，是一種應用前景廣闊的電子信息材料。該材料的介電性能主要有三個參數相對介電常數(簡稱介電常數)、介質損耗係數及溫度係數，快速準確測量這三個參數，是開發微波介質陶瓷材料的一個重要環節。
吳毅強等(吳毅強，盧金平，等，微波介質陶瓷介電常數測量的簡單方法，電子元件與材料，2004，4)介紹了等效空氣法測試微波介質陶瓷材料片狀試樣的介電常數及損耗。呂文中等(呂文中，賴希偉，平行板諧振法測量微波介質陶瓷介電性能，電子元件與材料，2003，5)介紹了平行板諧振法具有測量簡單、快速、準確的優點。庸宗熙(唐宗熙，介質諧振器介電參數頻響特性及頻率溫度係數的測量，計量學報，2002，23(1))採用了短路型平行板諧振腔，進行頻率溫度係數的測試，取得了令人滿意的效果。
發明內容
本發明的目的是針對現有的微波介質陶瓷材料測量速度較慢等問題，提供一種測量速度較快、適用性廣、無損、批量、精確度高、操作方便、性價比高，特別是在微波介質陶瓷材料溫度係數的快速檢測上更具有優勢的微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置。
本發明的另一目的在於提供一種快速檢測微波介質陶瓷材料的方法。
本發明所述的微波陶瓷材料快速檢測裝置包括1)帶步進電機的開放型平行板諧振腔設有由上下兩個鍍銀的紫銅平行板構成的開放型諧振腔，下平行板底部帶有環形齒輪，在步進電機控制下可方便地旋轉任意角度，板上設有至少8個小孔，在小孔上插入樣品墊，上下平行板中心穿入一筒狀體，筒狀體上設有兩個槽，供同軸電纜線穿過，上下平行板放置於軸承與底座上，底座固定在底盤上，底盤中央安裝步進電機，底盤另一邊為另一同軸線的固定座，筒狀體可設為圓筒。
2)單片機控制及步進電機驅動器由電源電路、單片機控制電路和步進電機驅動電路組成，電源電路為步進電機以及單片機和其它晶片提供所需的直流電源；單片機控制電路用於在鍵盤輸入指令下產生脈衝信號和進行信號分配，控制電機驅動電路的工作；步進電機驅動電路用於為步進電機提供足夠的功率以驅動電機工作，步進電機驅動電路輸入端與單片機控制電路輸出端連接，步進電機驅動電路輸出端與步進電機輸入端連接。
3)矢量網絡分析儀及計算機矢量網絡分析儀由GPIB接口與計算機連接，在計算機控制下，矢量網絡分析儀的掃頻信號輸出端經同軸電纜接開放型平行板諧振腔輸入端，開放型平行板諧振腔的諧振信號輸出端通過另一同軸電纜接矢量網絡分析儀。
採用本發明所述的微波介質陶瓷材料快速測量裝置進行檢測時可採用已公開的HP VEE為軟體開發工具，編制Windows系統下的測試軟體，該軟體對測試步驟提示，對測量數據進行實時採集、理論運算、誤差分析、顯示和存儲。實現快速、精度、無損、批量的對微波介質陶瓷材料進行自動化檢測，良好的人機對話界面，清楚的表格和曲線全面反映測試結果。
本發明所述的微波介質陶瓷材料快速檢測方法其步驟為1)校準矢量網絡分析儀，測量圓柱形被測樣品的直徑及高度，輸入計算機相應的表格。
2)將帶步進電機的開放型平行板諧振腔放入恆溫控溫箱，同批製作的樣品逐一擺放在下平行板的樣品墊上。
3)將輸入與輸出同軸線內導體分別剝出彎成小圈與外導體焊接，製成耦合環，兩耦合環平行調整至樣品兩側，同時調整上平行板高度，使上下平行板與樣品的距離一致，並關上恆溫控溫箱門。
4)啟動步進電機，測量室溫下的第一個樣品，當步進電機停止後，此時計算機將保存矢量網絡分析儀所觀察到的樣品諧振曲線、記錄該樣品的諧振頻率以及品質因數，並代入介電常數和損耗係數的理論計算公式，迅速計算出所測樣品的介電常數和損耗係數，並自動填入第一個樣品的表格內；再次啟動步進電機，以相同的方式記錄下第二個樣品的數據，直至測完8個樣品，耦合環又回到原處。
5)設置好恆溫控溫箱上溫度，當溫度達到時，重複步驟4。
6)點擊計算機，進入材料溫度係數計算程序，程序將自動讀取室溫和設定溫度下所測諧振頻率值，從兩頻率差與溫差的比值得到所需的第三個參數(溫度係數)。
7)完成測試，退出程序。
矢量網絡分析儀可採用E8362B型矢量網絡分析儀。
本發明所述的微波介質陶瓷材料快速檢測裝置包括帶步進電機的開放型平行板諧振腔、單片機控制及步進電機驅動器、矢量網絡分析儀及計算機等，並配合相應的測試軟體，通過編程在計算機和單片機的控制下，對測量數據的實時採集、理論運算、誤差分析、結果顯示和保存。整個測試過程，自動進行，不同溫度下測試條件一致，數據誤差小，重複性高，升溫後採用批量測量，克服以往短路型平行板諧振腔，一個樣品升溫一次，測量耗時長，本發明測試時間大約減少為原有的八分之一，同時旋轉批量測量法，將短路型平行板諧振腔改為開路型平行板諧振腔，樣品與金屬平行板未接觸，金屬平行板接觸所造成的損耗極大降低，此外採用聚苯乙烯材料製作的丁字型樣品墊介電常數為2.0，遠小於樣品材料的介電常數，因此樣品墊對數據所造成以誤差可忽略，加上材料的溫度係數計算值以兩頻率差有關，樣品墊的存在對兩頻率差更是無任何影響。實現快速、精確、無損、方便、批量地對微波介質陶瓷材料進行測試，特別是在微波介質陶瓷材料溫度係數的快速測試上更具有優勢，適用於科研院校及工廠企業中對微波介質陶瓷材料的產品測試及應用開發。
圖1為本發明所述的微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置實施例的組成方框圖。
圖2為圖1中的開路型平行板諧振腔結構示意圖。
圖3為圖1中的開路型平行板諧振腔結構主視示意圖。
圖4為圖1中的開路型平行板諧振腔旋轉示意圖。
圖5為圖1中的開路型平行板諧振腔結構分解示意圖。
圖6為本發明所述的微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置實施例的電源電路原理圖。
圖7為圖1中的單片機控制步進電機系統框圖。
圖8為圖7中的單片機控制電路與步進電機驅動電路原理圖。
圖9為本發明所述的微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置實施例的單片機控制流程框圖。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
參見圖1，本發明所述的微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置設有帶步進電機的開放型平行板諧振腔01、單片機控制及步進電機驅動器02、矢量網絡分析儀03、計算機04和恆溫控溫箱05。單片機控制及步進電機驅動器02的輸入端接計算機04，單片機控制及步進電機驅動器02的輸出端接帶步進電機的開放型平行板諧振腔01，平行板諧振腔通過同軸電纜與矢量網絡分析儀03連接，矢量網絡分析儀03通過GPIB接口與計算機04連接，在計算機04控制下，矢量網絡分析儀03的掃頻信號輸出端經同軸電纜接開放型平行板諧振腔01的輸入端，開放型平行板諧振腔01的激勵信號輸出端通過另一同軸電纜接矢量網絡分析儀03。帶步進電機的開放型平行板諧振腔01放置於恆溫控溫箱05內。
由於利用GPIB接口把計算機04與矢量網絡分析儀03連接，因此在計算機04控制下，矢量網絡分析儀03將掃頻信號經同軸電纜，輸入開放型平行板諧振腔01，激勵被測樣品，當激勵信號頻率與被測樣品諧振頻率一致時，諧振峰將通過另一同軸電纜，將信號耦合輸出至矢量網絡分析儀03，再經計算機04對檢測數據實時採集、理論運算、誤差分析、結果顯示和保存。此外，將開放型平行板諧振腔01整個放進恆溫控溫箱05內，可檢測溫度係數。
參見圖2～5，由鍍銀的紫銅上平行板11和下平行板4組成開放型諧振腔；下平行板4底部帶有環形齒輪3，在步進電機14控制下可方便地旋轉任意角度，在下平行板4上的半徑三分之二處均勻地鑽設8個小孔5，插入聚苯乙烯材料製作的丁字型樣品墊6，可同時放置8個被測樣品7。當放置被測樣品7時，直接提起上平行板11(無任何固定螺絲)，既快捷又方便，上平行板11放置的高度可調，所放高度由該板下的螺帽10的位置決定。根據恆溫控溫箱內的尺寸，以及被測樣品諧振時電磁場的輻射範圍，設計上下兩平行板的直徑為180mm。兩平行板中心穿入直徑為30mm的不鏽鋼圓筒9，圓筒9上開有兩個U型槽8，供同軸電纜線12穿過。下平行板4放置於不鏽鋼軸承2及底座1上，底座1靠螺絲固定在尺寸為220mm×260mm的底盤26上。在底盤26中央安裝步進電機13、14和15。當給步進電機14加一個脈衝信號時，步進電機15的主動齒輪則轉過一個步距角，這一線性關係的存在，只有周期性的誤差而無累積性的誤差，使得在速度和位置等控制領域用步進電機來控制更為簡單。為此，可採用步距角較小的四相八拍電機，以便提高定位精度。底盤26另一邊設有另一同軸線25的固定座16，固定線夾21上開有2個不同尺寸的三角槽，以滿足不同的同軸線線徑的固定。當定位螺絲22旋出時，旋轉絲杆18上方的螺帽，整個固定線夾20和21可方便地上下移動，連接片23將絲杆18與固定杆17連接，並由螺絲24將連接片23鎖定在固定杆17頂端。
單片機控制及步進電機驅動器由電源電路、單片機控制電路和步進電機驅動電路組成。
參見圖6，電源電路將交流電AC220V通過變壓器T降壓、整流、濾波、穩壓轉化為步進電機所需的12V直流電源，以及單片機和其它晶片所需的5V直流電源。在圖6中，穩壓集成電路分別採用LM7805型和LM78型穩壓集成電路。
參見圖7，在單片機控制步進電機系統中，在鍵盤81的輸入指令下，單片機82產生脈衝信號和進行信號分配，一路通過光電隔離器83控制電機驅動電路84的工作，電機驅動電路84驅動步進電機85；另一路通過顯示驅動電路86後由LED顯示器87顯示輸入指令及運行狀態。單片機控制電路的基本功能為四個檔位的步進電機速度調整，步進電機的正反轉控制，連續運行和微調中的單步調整，滿足材料測試過程中的各種要求。
單片機控制電路與步進電機驅動電路參見圖8，單片機控制電路採用98S51型低功耗，高性能CMOS8位單片機IC1，單片機IC1內含4KB的可逆系統編程的Flash只讀程序存儲器，器件採用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。
由於單片機IC1輸出的控制信號不能直接驅動步進電機M轉動，必須有一個專門的電機驅動電路，使其有足夠的功率驅動電機工作。電路中控制信號首先經光電耦合管，再經非門送至達林頓放大管Q1、Q2、Q3和Q4的基極，當達林頓管導通時，輸出的大電流足以驅動步進電機M轉動。在圖8中，集成電路IC2、IC3和IC4組合顯示器的驅動電路，電阻R1～R17、電容C1～C3、二極體D1～D4以及石英晶體X等可採用適當的型號和參數，部件S1～S5為按鍵。
圖9給出微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置實施例的單片機控制流程框圖。
在測試軟體方面，可採用HP VEE為軟體開發工具，編制Windows系統下的測試軟體，該軟體對測試步驟提示，對測量數據進行實時採集、理論運算、誤差分析、顯示和存儲。實現快速、精度、無損、批量地對微波介質陶瓷材料進行自動化檢測，良好的人機對話界面，清楚的表格和曲線全面反映測試結果。快速測量微波介質陶瓷材料可採用如下步驟1)校準微波網絡分析儀(如E8362B型)，啟動計算機中自行研製以微波介質陶瓷測試軟體，測量圓柱形被測樣品的直徑D及高度L，輸入計算機相應的表格中。
2)將帶步進電機的開放型平行板諧振腔放入恆溫控溫箱，同批製作的樣品(通常少於8個)逐一擺放在下平行板(旋轉盤)的丁字型樣品墊上。
3)將耦合環平行調整至樣品兩側，同時調整上平行板高度，使上下板與樣品的距離大體一致，並關上恆溫控溫箱門。
4)接下鍵盤，啟動步進電機，測量室溫下的第一個樣品，當步進電機停止後，此時計算機將保存矢量網絡分析儀所觀察到的樣品諧振曲線、記錄該樣品的諧振頻率以及品質因數，並代入介電常數和損耗係數的理論計算公式，迅速計算出所測樣品的介電常數和損耗係數，並自動填入第一個樣品的表格內。再次啟動步進電機，相同的方式記錄下第二個樣品的數據，直至測完8個樣品，耦合環又回到原處。
5)設置好恆溫控溫箱上溫度，通常放置80度，當溫度達到時，重複步驟4)。
6)點擊計算機，進入材料溫度係數計算程序，程序將自動讀取室溫和80度下所測諧振頻率值，從兩頻率差與溫差的比值得到所需的第三個參數(溫度係數)。
7)完成測試，退出程序。
測試結果參見表1和表2，整個測試過程，自動進行，不同溫度下測試條件一致，數據誤差小，重複性高，升溫後採用批量測量，克服以往短路型平行板諧振腔，一個樣品升溫一次，測量耗時長，本發明測試時間大約減少為原有的八分之，同時旋轉批量測量法，將短路型平行板諧振腔改為開路型平行板諧振腔，樣品與金屬平行板未接觸，金屬平行板接觸所造成的損耗降低，此時採用聚苯乙烯材料製作的丁字型樣品墊介電常數2，遠小於樣品材料的介電常數，因此樣品墊對數據所造成以誤差可忽略，此外材料的溫度係數計算值以兩頻率差有關，樣品墊的存在對兩頻率差是無任何影響。
表1測試結果
帶*號數據為電子科大測量結果。
表2單樣品多次測量結果
Δεr′/εr′≤0.08％。Δtanδ/tanδ≤0.2％
以下給出開路型平行板介質諧振器法相對介電常數計算實例。
對於高介、低損的微波陶瓷材料，為了提高測試的精度，提出開路型的方法，此時平行金屬板與介質柱沒有直接接觸，而是拉開一定的距離，可以減少測試中的金屬傳導損耗，相對於短路型平行板介質諧振器的TE011模而言，此時主模變為TE01δ模。為簡化分析過程，推導諧振頻率和相對介電常數的關係式，在不影響分析結果的前提下，作以下三點假設1.介質樣品是各向同性無損；2.金屬板是完好傳導；3.兩金屬板間距離小於諧振頻率對應的自由空間半波長，此時沒有輻射損耗。
軸對稱模TE01δ是實際介質諧振器應用中最重要的一種工作模式，只有Eφ、Hρ、Hz三個分量，此模式有多個優點1.電場和磁場都是圓對稱的，耦合方便；2.能量在介質諧振器內的集中程度高，周圍的金屬引入的損耗小；3.模式容易辨認，其電性能容易比較精確地測量；4.Q值較高。
利用計算本徵值的變分理論，把兩金屬板包含的空間分成是Ir＜a和IIr＞a兩部分，考慮場在r＝a處連續，求解Helmholtz方程。分析軸對稱模式TE01δ，可得到諧振頻率和相對介電常數關係的矩陣方程。根據電磁場理論，表面電流激勵的電場表示EI(r,z)=-ik0Zf0LGI(r,a,z,z)Hz(a,z)dz---(1)]]>EII(r,z)=ik0Zf0LGII(r,a,z,z)Hz(a,z)dz---(2)]]>式(1)和(2)中L′＝L+L1+L2，G(r，r′，z，z′)是Helmholtz算子的格林函數；Hz(a，z′)是在r＝a表面上的磁場z分量，Zf是空間波阻抗，I、II分別是r＜a和r＞a兩個區域。
在r＝a處連續，E相等，有EI-EII=0.]]>用RI、RII表示積分算子，{j}是(0，L』)的完備函數集，RIHz(a，z)j+RIIHz(a，z)j＝0 j＝1，2，3… (3)式(3)中，表示內積。
設Hz=i=1cii(z),]]>ci是待定係數，{φi}是(0，L』)的完備函數集。
令wij＝RIφi，j+RIIφi，j，則det[W]＝0 (5)此時W陣維數n(i，j≤n)趨於無窮大，根據Weinstein變分理論，不斷擴大的維數將使得行列式的值單調遞增，也就是說近似值趨向真實值。即εr(1)≤εr(2)≤Λ≤εr(n)Λ≤εr令L1＝L2，根據邊界條件，取歸一化的試驗函數 進一步變換得到矩陣元分別為wi1=LLJ1(xi)xiJ0(xi)[1+sin(iL)iL+(1-LL)I1(yi)yiI0(yi)[1-sin(iL)i(L-L)]+K1(yi)yiK0(yi)-8(r-1)2k04a2Lm=1(PmAi+Bi)(QmAi-Bi)(um2+i2)2(vm2+i2)2(Pm+Qm)---(7)]]>wij=4LBiAj-BjAii2-j2[J1(xi)xiJ0(xi)-I1(yi)yiI0(yi)-8(r-1)k02a2Lm=11(um2+i2)(vm2+i2)(Pm+Qm)[(PmAj+Bj)(QmAi-Bi)(um2+j2)-(PmAi+Bi)(QmAj-Bj)(vm2+j2)]---(8)]]>其中k=(2k-1)L,Ak=cos(kL2),Bk=ksin(kL2),]]>xk=ark02-k2,yk=ak2-k02,Pm=umtanh(umL2),]]>Qm＝vmcoth(vmL1)，um=hm2-rk02,vm=hm2-k02,]]>k＝i，j，k0＝2π/λ0，L′＝L+2L1，i、j＝1，2，3，…hm是方程J0(hma)＝0第m個根，εr是樣品的相對介電常數；Jn是第一類貝塞爾函數，In、Kn分別是第一和第二類修正貝塞爾函數。通過測量的諧振頻率值，算出樣品的相對介電常數。
求解開路型平行板對稱結構的Helmholtz算子的格林函數為
GI(r,r,z,z)=2a2m=1J1(hmr)J1(hmr)J12(hma)Gm(z,z)]]>式中，Gm(z，z′)是一維的格林函數；Gm(z,z)=g1m(z)g2m(z)Smzzg1m(z)g2m(z)Smz>z]]>式中，Sm=umvm[umsinh(umL2)sinh(vmL1)+vmcosh(umL2)cosh(vmL1)]]]>g1m=vmcosh(umz)0zL2vmcosh(umL2)cosh[vm(z-L2)]+umsinh(umL2)sinh[vm(z-L2)]L2zL1+L2]]>g2m=umsinh(vmL1)cosh[um(L2-z)]+vmcosh(vmL1)sinh[um(L2-Z)]0zL2umsinh[vm(L1+L2-z)],L2zL1+L2]]>GII(r，r′，z，z′)＝X·YX=2Li=1cos(iz)cos(iz)K0(yi)]]>Y=[I0(yi)K1(yiar)+K0(yi)I1(yiar)]K1(yiar)rr[I0(yi)K1(yiar)+K0(yi)I1(yiar)]K1(yiar)r>r]]>以下給出微波介質陶瓷的品質因數計算。
主要介紹微波陶瓷介質損耗角正切的測試理論推導，從諧振器的品質因數出發，介紹了開路平行板介質諧振器的Q值關係，用網絡分析儀測試時，由平行板介質諧振器傳輸係數獲得有關參數的過程，以及使用微擾法得到介質樣品損耗角正切的測量方法。考慮傳導損耗的影響，能更加精確知道介質樣品的損耗值。
1)介質諧振器的品質因數介質諧振器的品質因數，簡稱Q值，是介質諧振器在電路應用中的一個重要指標，定義為 式(9)中，ω是諧振角頻率，W是諧振器存儲的總電磁能量，P是功率損耗，它包括各種可能的功率損耗。
放置於自由空間的孤立介質諧振器，其損耗為諧振器本身的介質損耗及輻射損耗，對於電路結構和實際使用中的介質諧振器，除了上面兩種損耗外，還要考慮諧振器周圍的其它介質損耗和導體損耗。因此，介質諧振器的功率損耗可寫為P＝Pd+Pc+Pr(10)其中Pd是所有的介質損耗，Pc是導體損耗，Pr是輻射損耗。可得介質諧振器無載Q值為Qu=WPd+Pc+Pr---(11)]]>或表示為1Qu=1Qd+1Qc+1Qr---(12)]]>式(12)中，Qd=WPd,]]>是由所有介質損耗決定的Q值，由於空氣損耗極弱，可以忽略。所以當不考慮諧振器周圍的其它介質損耗時，Qd等於諧振器材料的損耗角正切的倒數，即Qd＝1/tanδ；Qc=WPc,]]>是由諧振器周圍的導體損耗決定的Q值；Qr=WPr,]]>是由輻射損耗所決定的Q值。
當L/a≤1、b/a≥3(b為兩金屬板的半徑)時，輻射損耗已降至金屬板損耗的0.1％以下，可以忽略，對於開路型的平行板介質諧振器，當兩金屬板間距離小於諧振頻率對應的自由空間半波長，即L′≤λ0/2時，沒有輻射損耗。
設Wd、Wa分別是介質和空氣中儲存的電場能，Pd是介質中的平均耗能，根據電磁場理論，可知 其中σd是介質的電導率。所以Pd＝2ωWd·tanδ。因為系統中總的電磁能W＝2(Wd+Wa)，根據定義則Qd=WPd=1tanWd+WaWd---(15)]]>應用介質微擾法理論可知， 則有f0f0=-r2rWdWd+Wa---(17)]]>即Qd=1tanf02(-f0/r)r---(18)]]>式中，tanδ為諧振器材料的損耗角正切。就樣品的Q值而言，由於諧振時，大部分的能量儲存在樣品中，有時直接把Qd當作樣品的Q。
為了準確測出樣品的Q值(Q-1＝tanδ)，把傳導損耗也考慮進來，採用Kajfez等提出的方法，對於TE01δ對稱模，在金屬導體板表面上只有切向磁場分量，當導體板為完善導體時，系統中的總磁能為Wm。利用切向磁場與磁能增量關係，金屬導體板表面的功耗為Pc=2Wm(c2)=Wm(c)]]>Qcu=WmPc=WmWm(c)]]>式中，Qcu是上金屬導體的傳導損耗，δc是導體的趨膚深度，ΔWm為導體板向外移動δc時的磁能增量，根據形狀微擾理論，存在f0(c)f0=Wm-WeWm,]]>此時ΔWe＝0，所以，
Qcu=f0f0(c)]]>對於開路型平行板諧振器，L=LL1L1+Lf0f0=0,]]>可知Qcu=f0(-f0/L1)c---(19)]]>1/Qc＝2/Qcu(20)其中Qc是表徵總的傳導損耗Q因子，系統結構對稱，上下金屬板損耗相等。
2)IL與S21的關係在處理從網絡分析儀測量的有載QL轉換成無載Qu之前，必須看一下插入損耗(IL)與從網絡分析儀測試的傳輸係數S21兩者之間的關係。可以從定義插入損耗的電路出發討論IL與S21的關係。
根據在插入面上信號波的多次入射與反射的疊加，可得到信號源對不匹配負載的入射功率。
3)有載Q與無載Q關係測試系統用耦合環可以激勵出許多諧振模式，用網絡分析儀測傳輸係數，可以確定各個模式的諧振頻率，同時也能得到各個模式的有載Q值。測試系統的雙埠網絡諧振器可以用傳輸型諧振器等效電路表示。
4)金屬表面導電率σ的確定為了提高測試精度，考慮傳導損耗的影響，涉及到趨膚深度的值，即測試系統上下極板導電率σ的值，因設計系統上下極板採用銀做鍍層，屬於良導體有>>1,]]>所以c=12[1+2-1],]]>即c=2=1f---(21)]]>銀的理想導電率σ是6.17×107S/m。但由於導電率跟平行板的材料、熱處理、加工及鍍銀厚度等情況有關，不同的加工條件會使得實際的導電率偏離其理想值。這就需要對平行板的導電率進行準確測定。
測定方法是採用同一個介質諧振器樣品，預先設定好樣品直徑和厚度的比率，使樣品的兩個諧振模式TEomn和TEom』n』(m≠m』，n≠n』)的諧振頻率相近，近似認為它們對應的損耗正切相等，從而該頻率點對應的表面電阻Rs可由式(21)確定，最後可獲得實際的導電率σ值。
Rs=A0mn/Q0mn-A0mn/Q0mnB0mn-B0mn---(22)]]>式中Aomn＝1+F(u)G(v)/εr′Bomn=(nc2f0L)31+F(u)G(v)302nr]]>F(u)=J12(u)J12(u)-J0(u)J2(u)]]>G(v)=K0(v)K2(v)-K12(v)K12(v)]]>Rs=f00---(23)]]>金屬板的導電率σ由相應公式計算得到。表3是一個樣品四次測量數據求得σ測定值。(f0＝9.30GHz，D/L≈2.0)表3平行板導電率測量數據
其統計平均值為2.72×107S/m，標準差為0.03×107S/m。
通過測定的σ值，根據式(23)，在不同的諧振器測試頻率下，趨膚深度就有不同的值，為精確計算介質損耗提供條件。
權利要求
1.微波陶瓷材料的快速檢測裝置，其特徵在於包括1)帶步進電機的開放型平行板諧振腔設有由上下兩個鍍銀的紫銅平行板構成的開放型諧振腔，下平行板底部帶有環形齒輪，在步進電機控制下可方便地旋轉任意角度，板上設有至少8個小孔，在小孔上插入樣品墊，上下平行板中心穿入一筒狀體，筒狀體上設有兩個槽，供同軸電纜線穿過，上下平行板放置於軸承與底座上，底座固定在底盤上，底盤中央安裝步進電機，底盤另一邊為另一同軸線的固定座，筒狀體可設為圓筒；2)單片機控制及步進電機驅動器由電源電路、單片機控制電路和步進電機驅動電路組成，電源電路為步進電機以及單片機和其它晶片提供所需的直流電源；單片機控制電路用於在鍵盤輸入指令下產生脈衝信號和進行信號分配，控制電機驅動電路的工作，步進電機驅動電路用於為步進電機提供足夠的功率以驅動電機工作，步進電機驅動電路輸入端接單片機控制電路輸出端，步進電機驅動電路輸出端接步進電機；3)矢量網絡分析儀及計算機矢量網絡分析儀由GPIB接口與計算機連接，在計算機控制下，矢量網絡分析儀的掃頻信號輸出端經同軸電纜接開放型平行板諧振腔輸入端，開放型平行板諧振腔的諧振信號輸出端通過另一同軸電纜接矢量網絡分析儀。
2.微波陶瓷材料快速測量方法，其特徵在於其步驟為1)校準矢量網絡分析儀，測量圓柱形被測樣品的直徑D及高度L，輸入計算機相應的表格中；2)將帶步進電機的開放型平行板諧振腔放入恆溫控溫箱，同批製作的樣品逐一擺放在下平行板的樣品墊上；3)將輸入與輸出同軸線內導體分別剝出彎成小圈與外導體焊接，製成耦合環，兩耦合環平行調整至樣品兩側，同時調整上平行板高度，使上下平行板與樣品的距離大體一致，並關上恆溫控溫箱門；4)啟動步進電機，測量室溫下的第一個樣品，當步進電機停止後，計算機保存矢量網絡分析儀所觀察到的樣品諧振曲線、記錄該樣品的諧振頻率以及品質因數，並代入介電常數和損耗係數的理論計算公式，計算出所測樣品的介電常數和損耗係數，並自動填入第一個樣品的表格內；再次啟動步進電機，以相同的方式記錄下第二個樣品的數據，直至測完8個樣品，耦合環又回到原處；5)設置好恆溫控溫箱上溫度，當溫度達到時，重複步驟4；6)點擊計算機，進入材料溫度係數計算程序，程序將自動讀取室溫和設定溫度下所測諧振頻率值，從兩頻率差與溫差的比值得到所需的溫度係數；7)完成測試，退出程序。
全文摘要
微波陶瓷材料的快速檢測裝置及其測量方法，涉及一種微波介質陶瓷材料的檢測，尤其是涉及一種微波介質材料的介電性能參數即相對介電常數、介質損耗係數和溫度係數的快速測量裝置及其測量方法。提供一種測量速度較快、適用性廣、無損傷、精確度高、操作方便、性價比高，特別是在微波介質陶瓷材料溫度係數的快速檢測上更具有優勢的微波介質陶瓷材料的快速檢測裝置及其測量方法。測量裝置包括帶步進電機的開放型平行板諧振腔、單片機控制及步進電機驅動器、矢量網絡分析儀和計算機。
文檔編號G01R27/26GK1928536SQ20061014175
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月30日 優先權日2006年9月30日
發明者肖芬, 陳賜海, 黃振宇, 劉同贊, 楊國山 申請人:廈門大學