一種介質材料高溫復介電常數測量裝置的製作方法
2023-05-08 14:28:01
專利名稱：一種介質材料高溫復介電常數測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於微波測試技術領域，涉及終端短路法介質材料復介電常數測量方法及系統，尤其是用於介質材料高溫復介電常數測量的系統。
背景技術：
隨著高溫介質材料在航空航天、軍事裝備等領域中的應用越來越廣泛，對其微波性能的要求也越來越高。復介電常數及其溫度特性是衡量高溫介質材料微波性能優劣的一個重要參數。因此，在研究和應用高溫介質材料時，均需要在高溫環境下對材料復介電常數的溫度特性進行測試。終端短路法是測量介質材料復介電常數一種常用方法。其測量原理是將被測材料填充於終端短路的傳輸線，通過測量該傳輸線的復反射係數，可計算得到被測材料的復介電常數。該方法只需測量單埠反射係數，且具有結構簡單、測試頻帶寬、體積小等優點，比較適合高溫測量。終端短路法的測試原理如圖I所示。根據阻抗原理，可以得到tanh^)= 1ta^0I(I)
7-d j-P0-Ciy p-j- tan(^;) J其中，Y為填充有被測介質樣品波導段的傳輸係數，d為被測介質樣品厚度。
I+ I^11I,、P =(2)^ =^uzl^±Ih^ + 2./ 0.(Z-^)(3)
/ \ 2pI- ^(4)
\ Il UJA c = 2 a (5)
Q(6)
/oy = a + j 3 (7)a為衰減常數，&為相位常數，L為波導長度，a為波導長邊寬度，S11為復反射係數，e sll為S11的角度。由式(I)求得填充有被測材料波導段的傳輸係數Y後，再利用傳輸線方程，即可求得被測材料的復介電常數。
/X 2^ = A_. +p2-a2(8)
2.7T、義 c J
tan--(9)
_4] 問 W
14 J 式中，e' r為介質材料的相對介電常數，tan S E為損耗角正切。[0016]由公式(I) (9)可知，當已知填充有被測材料的傳輸線的復反射係數後，可計算得到材料的復介電常數。因此有e ' r = f (L, a, f0, S11, d)(10)2002年，美國制定了 ASTM標準「D2520-01」。在該標準中，採用矩形波導傳輸線，用終端短路法進行材料介電性能的變溫測量，測量的最高溫度是1650°C，傳輸線採用的材料是鉬銠合金；當測試溫度較低時，可以採用可滿足溫度測量的其他材料。電子科技大學在其專利申請「一種基於終端短路法的高溫復介電常數測量方法」(申請號200910059213. 0)中採用的測試波導為高溫矩形測試波導，由散熱波導、隔熱波導、高溫波導和短路板組成。共有兩路，一路加載樣品，一路用於誤差修正。測試時，被測介質樣品緊貼短路板放置於其中一路高溫波導內，測量出波導加載被測介質樣品時的反射係數，並利用另一路空載波導的反射係數進行修正，然後計算出被測戒子材料的復介電常數。 由於某些介質材料在高溫下會融化，甚至與短路板和高溫波導發生化學反應，從而汙染短路板和高溫波導。發生這種情況後短路板和高溫波導無法重複使用。通常的做法是徹底更換短路板和高溫波導，由於短路板和高溫波導材料及加工成本很高，徹底更換短路板和高溫波導會造成測試成本過高且操作不方便；此外，在高溫條件下，波導由於受熱不均勻，會發生形變，即使能夠對短路板和高溫波導進行清洗也不能保證短路面與波導始終有良好的電接觸，從而影響測試結果的準確性。
發明內容本實用新型針對現有介質材料高溫復介電常數測量裝置中存在的上述缺陷，提供一種新的介質材料高溫復介電常數測量裝置。該測量裝置對現有的介質材料高溫復介電常數測量裝置中由短路板和高溫波導構成的樣品測試夾具(承載結構)進行改進，在高溫波導後端增加一個由高溫波導和短路法蘭構成的扼流法蘭結構，並採用短路法蘭盤來承載被測介質樣品。採用本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置，在測量過程中具有操作方便、使用和維護成本低的特點；同時本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置由於採用了扼流法蘭結構，能夠保證終端短路面與波導之間良好的電接觸，從而能夠保證測試結果的準確性。本實用新型技術方案如下一種介質材料高溫復介電常數測量裝置，如圖2所示，包括矢量網絡分析儀和矩形波導諧振腔，所述矩形波導諧振腔通過波導-同軸轉換接頭和同軸線與所述矢量網絡分析儀相連；所述矩形波導諧振腔由相同尺寸的散熱波導、隔熱波導和高溫波導以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導諧振腔壁做金屬化處理。所述短路法蘭盤採用耐高溫導電材料製作，其面向矩形諧振腔內部的一側具有矩形截面凹槽結構，用以承載被測介質樣品；所述凹槽結構的矩形截面尺寸與矩形波導諧振腔的截面尺寸一致。所述高溫波導與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結構。上述介質材料高溫復介電常數測量裝置還可包括一個高溫爐，所述高溫爐用以對置於爐內的矩形波導諧振腔的高溫段，即高溫波導和短路法蘭盤進行加熱以實現高溫測量。[0025]由於通常採用終端短路法測量介質材料高溫介電性能(復介電常數)時，需要測量矩形波導諧振腔在高溫下的空載和有載反射係數，因此本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置可以包括兩個完全相同的矩形波導諧振腔，兩個矩形波導諧振腔分別通過波導-同軸轉換接頭和同軸線與所述矢量網絡分析儀不同的通道相連，使得在高溫測量時，將兩個矩形波導諧振腔的高溫段，即兩個矩形波導諧振腔的高溫波導和短路法蘭盤同時置於高溫爐中，其中一個矩形波導諧振腔有載(即矩形波導諧振腔的短路法蘭盤承載被測介質樣品)，而另一個矩形波導諧振腔空載，這樣可同時測量矩形波導諧振腔在高溫下的空載和有載反射係數，從而可大大提高測量效率。需要說明的是一、製作法蘭的材料為耐高溫導電材料，如鑰、鎢、鉭、石墨等，具體實施可根據測試溫度，被測材料特性及加工成本決定。鎢材料硬度高，加工難度大，鑰材料只能用於13000C以下溫度環境中測試。二、本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置中，所述扼流式法蘭結構中徑向傳輸線A的長度LI和同軸波導段B的長度L2應為1/4波導波長。而徑向傳輸線A的寬度(即扼流式法蘭縫隙寬度)d應為標準法蘭接頭的縫隙寬度，考慮到材料在高溫下的熱膨脹效應，也可以將扼流式法蘭縫隙寬度d設計成略大於標準法蘭接頭的縫隙寬度，以保證高溫下法蘭縫隙與矩形波導諧振腔腔壁的交界面為一等效短路面。由於法蘭縫隙與矩形波導諧振腔腔壁的交界面為一等效短路面，使得即使在短路法蘭盤使用老化發生一定的變形而無法與高溫波導實現良好的機械接觸的情況下依然能夠保證終端短路板(短路法蘭)與矩形波導之間良好的電接觸，從而能夠長期保證測量精度，避免了現有的基於終端短路法介質材料高溫復介電常數測量系統中由於短路板與波導接觸不良而引起的測量誤差。三、測試時，將被測介質材料樣品放入短路法蘭盤的矩形凹槽中，被測材料橫向尺寸與短路法蘭盤的矩形凹槽截面相適應，並與短路法蘭盤的短路面緊密接觸；再將短路法蘭盤與高溫波導對準，通過定位銷釘與螺釘連接；然後加高溫進行測試。短路法蘭盤可統一製作多套，以降低製作成本。即使出現受被測介質樣品汙染或老化變形的情況，也只需更換短路法蘭盤即可，波導並不會受到汙染和損傷，可重複使用，因此本實用新型所提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置具有較低的使用和維護成本。綜上所述，本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置具有操作方便、使用和維護成本低的特點；同時本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置由於採用了扼流法蘭結構，能夠保證終端短路面與波導之間良好的電接觸，從而能夠保證測試結果的準確性。
圖I為傳統終端短路法測量介質材料高溫復介電常數的測量裝置結構示意圖。圖2為本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置基本結構示意圖。圖3為本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置中，扼流式法蘭結構連接處的截面示意圖。圖4為本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置另一結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一一種介質材料高溫復介電常數測量裝置，如圖2所示，包括矢量網絡分析儀和矩形波導諧振腔，所述矩形波導諧振腔通過波導-同軸轉換接頭和同軸線與所述矢量網絡分析儀相連；所述矩形波導諧振腔由相同尺寸的散熱波導、隔熱波導和高溫波導以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導諧振腔壁做金屬化處理。所述短路法蘭盤採用耐高溫導電材料製作，其面向矩形諧振腔內部的一側具有矩形截面凹槽結構，用以承載被測介質樣品；所述凹槽結構的矩形截面尺寸與矩形波導諧振腔的截面尺寸一致。所述高溫波導與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結構。上述介質材料高溫復介電常數測量裝置還可包括一個高溫爐，所述高溫爐用以對置於爐內的矩形波導諧振腔的高溫段，即高溫波導和短路法蘭盤進行加熱以實現高溫測量。使用時，首先確定測量裝置中所述矩形波導諧振腔在常溫下的微波反射係數，再測量所述矩形波導諧振腔在高溫下有載和無載的微波反射係數，並結合各種已知條件(包括尺寸、測試頻率、材料熱膨脹特性等)，採用終端短路法即可計算出被測介質樣品的高溫復介電常數。
具體實施方式
二由於通常採用終端短路法測量介質材料高溫介電性能(復介電常數)時，需要測量矩形波導諧振腔在高溫下的空載和有載反射係數，因此本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置可以包括兩個完全相同的矩形波導諧振腔，兩個矩形波導諧振腔分別通過波導-同軸轉換接頭和同軸線與所述矢量網絡分析儀不同的通道相連。兩個巨型波導諧振腔的材料和尺寸完全相同，均由相同尺寸的散熱波導、隔熱波導和高溫波導以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導諧振腔壁做金屬化處理；所述短路法蘭盤採用耐高溫 導電材料製作，其面向矩形諧振腔內部的一側具有矩形截面凹槽結構，用以承載被測介質樣品；所述凹槽結構的矩形截面尺寸與矩形波導諧振腔的截面尺寸一致；所述高溫波導與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結構。高溫測量時，將兩個矩形波導諧振腔的高溫段，即兩個矩形波導諧振腔的高溫波導和短路法蘭盤同時置於高溫爐中，其中一個矩形波導諧振腔有載(即矩形波導諧振腔的短路法蘭盤承載被測介質樣品)，而另一個矩形波導諧振腔空載，這樣可同時測量矩形波導諧振腔在高溫下的空載和有載反射係數，從而可大大提高測量效率。採用本實用新型提供的介質材料高溫復介電常數測量裝置對介質材料進行高溫復介電常數測量時，基本步驟和計算過程與常規測量介質材料高溫復介電常數的終端短路法並無二致，在此不再贅述。應當說明的是，本實用新型採用的是矩形波導諧振腔結構，對於圓波導、同軸波導及其他類型的傳輸線，本實用新型的設計思想仍然適用。
權利要求1.一種介質材料高溫復介電常數測量裝置，包括矢量網絡分析儀和矩形波導諧振腔，所述矩形波導諧振腔通過波導-同軸轉換接頭和同軸線與所述矢量網絡分析儀相連；其特徵在於，所述矩形波導諧振腔由相同尺寸的散熱波導、隔熱波導和高溫波導以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導諧振腔壁做金屬化處理；所述短路法蘭盤採用耐高溫導電材料製作，其面向矩形諧振腔內部的一側具有矩形截面凹槽結構，用以承載被測介質樣品；所述凹槽結構的矩形截面尺寸與矩形波導諧振腔的截面尺寸一致；所述高溫波導與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結構。
2.根據權利要求I所述的介質材料高溫復介電常數測量裝置，其特徵在於，所述扼流式法蘭結構中徑向傳輸線(A)的長度LI和同軸波導段(B)的長度L2為1/4波導波長；而徑向傳輸線A的寬度、即扼流式法蘭縫隙寬度d為標準法蘭接頭的縫隙寬度或略大於標準法蘭接頭的縫隙寬度。
3.根據權利要求I或2所述的介質材料高溫復介電常數測量裝置，其特徵在於，所述介質材料高溫復介電常數測量裝置還包括一個高溫爐；所述高溫爐用以對置於爐內的矩形波導諧振腔的高溫段，即高溫波導和短路法蘭盤進行加熱以實現高溫測量。
4.根據權利要求I或2所述的介質材料高溫復介電常數測量裝置，其特徵在於，所述介質材料高溫復介電常數測量裝置還包括另外一個完全相同的矩形波導諧振腔，所述另外一個矩形波導諧振腔同樣通過波導-同軸轉換接頭和同軸線與所述矢量網絡分析儀的另一通路相連。
5.根據權利要求4所述的介質材料高溫復介電常數測量裝置，其特徵在於，所述介質材料高溫復介電常數測量裝置還包括一個高溫爐；所述高溫爐用以對置於爐內的兩個矩形波導諧振腔的高溫段，即高溫波導和短路法蘭盤進行加熱以實現高溫測量。
專利摘要一種介質材料高溫復介電常數測量裝置，屬於微波測試技術領域。包括矢量網絡分析儀和矩形波導諧振腔，所述矩形波導諧振腔由散熱波導、隔熱波導和高溫波導以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，所述短路法蘭盤其面向矩形諧振腔內部的一側具有矩形截面凹槽結構，用以承載被測介質樣品，所述高溫波導與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結構。本實用新型將現有介質材料高溫復介電常數測量裝置的高溫波導和金屬短路板相接觸的結構改造成高溫波導與短路法蘭盤相接的扼流式法蘭結構，具有操作方便、使用和維護成本低的特點；同時能夠保證終端短路面與波導之間良好的電接觸，從而能夠保證測試結果的準確性。
文檔編號G01R27/26GK202383208SQ20112043122
公開日2012年8月15日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者周楊, 李恩, 王益, 聶瑞星, 郭高鳳, 陶冰潔, 高源慈 申請人:電子科技大學