一種高損耗液體及粉末材料微波復介電常數測試新方法

2023-06-23 02:55:51

一種高損耗液體及粉末材料微波復介電常數測試新方法
【專利摘要】一種高損耗液體及粉末材料微波復介電常數測試新方法，屬於微波、毫米波材料電磁參數測試領域，涉及同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)。該方法通過置酒杯家具於其上的同軸開放式諧振腔加載微波被測材料前後的諧振頻率和品質因數，以及加載樣品的厚度來計算待測樣品的復介電常數。該方法組建的測試系統包括同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)、探針、SMA到其他同軸連接器的轉換器、電纜、矢量網絡分析儀和酒杯家具六部分。將六部分連接成系統，通過耦合量調節器調節探針深入腔體的長度，使得系統在諧振頻點處的品質因數最大，並記錄系統此時的諧振頻率f0和品質因數Q0。將待測材料放入酒杯家具中，保證樣品上表面的平整度，測量樣品厚度d並記錄加載樣品後系統的諧振頻率f1和品質因數Q1。由上述參數計算待測材料的復介電常數。
【專利說明】一種高損耗液體及粉末材料微波復介電常數測試新方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於微波、毫米波材料電磁參數測試【技術領域】，具體來說是一種由同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)和聚四氟乙烯酒杯家具組成的關於高損耗液體及粉末材料的復介電常數測試系統。

【背景技術】
[0002]微波材料作為電磁波傳輸媒質已廣泛的應用於微波的各個領域，比如微波電路、通信、飛彈制導、電子對抗、雷達隱身、遙感和遙測等。介質材料電磁參數一般是指復介電常數和復導磁率，通常以複數形式ε (jco) = ε 'ε " (j?), μ (j?)=μ，(jco)-jy " (j?)表示，它是描述材料和電磁場相互作用最基本的兩個特徵參數。準確了解電磁參數值，對於微波能的應用和微波非電量測量更是必不可少的。
[0003]礦產資源作為人類社會發展的物質基礎，並且碳質燃料是當代冶金行業的主要能源。電介質受微波輻射所產生的熱量吸收功率P = 2π?Ε2ε "，其中，E為電場強度，f為工作頻率，從該式可以看出冶金介質材料的微波吸收功率和其介電常數有著密切關係，因此對冶金介質材料的復介電常數進行準確測量具有重要的工業意義和節能環保價值。
[0004]生物材料是以和生命系統結合，以診斷、治療或替換機體中的組織、器官或增進其功能的材料。研究生物材料涉及的學科領域很多，如材料、生物、醫學、物理、生物化學及一些現代高技術等，相應的研究包括物理、化學及一些工程的研究方法。對生物材料的電磁特性研究在整個材料的成形到臨床應用過程中有著至關重要的作用，因此對生物材料的復介電常數的精確測量具有重要的社會意義和醫學價值。
[0005]材料的電磁參數測試技術經過近幾十年的發展，已經形成了一套比較完整的科學體系。目前，在微波與毫米波段，材料的電磁參數測試方法按測量原理可分為網絡參數法、諧振腔法兩大類。本發明採用的是諧振腔法。諧振腔法是將材料樣品放入諧振腔中，根據放入樣品前後其諧振頻率和品質因數的變化確定樣品復介電常數的一種微波測試方法。
[0006]目前，這些方法都各自存在一些問題，比如網絡參數法中的自由空間法校準步驟繁瑣，並且校準精度要求高，傳輸反射法製作樣品不方便，測試精度不高；諧振腔法中的介質諧振器法和微擾法只適合中低損耗微波材料的測試。應對上述問題，日本發明的開放式同軸諧振腔測試系統，其測試步驟簡單，樣品製作簡易，並且測試精度高，備受專業人士青睞。但是當待測材料的損耗比較大時腔體的諧振峰會被淹沒，測試隨之終止。本發明的測試系統是在同軸諧振腔上加低損耗材料層，體現在系統中就是聚四氟乙烯酒杯家具，減小了被測高損耗材料對電場的擾動，此時諧振系統仍能起振，測試系統可以準確測試高損耗微波材料復介電常數。


【發明內容】

[0007]本發明採用同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)作為諧振腔,放置聚四氟乙烯酒杯家具於其上，構成系統來對介質材料進行點頻測試，這種測試方法實現了微波材料復介電常數的高精度測試，無需對網絡分析儀進行繁瑣的精密校準，降低了測試時間，並且降低了測試對樣品製作的要求。該測試系統不僅適用於低損耗微波材料的復介電常數測試，同樣的適用於高損耗微波材料，特別適用於粉末及液體材料的測試。並且，當酒杯家具換為平板密封同軸腔後，系統適合粉末及液體樣品的在線測試，如汙水監控等。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]測試裝置包括同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I)、SMA到其他同軸(如N型、SMA或APC-7等)連接器的轉換器(2)、電纜(3)、矢量網絡分析儀⑷、酒杯家具(5)和探針(9)，如圖1所示。其中，探針(9)，採用的是帶有SMA接頭的同軸探針，利用環耦合，實現能量的饋入和輸出，耦合量調節器(10)其詳細示意圖如圖3所示，通過調節器調節耦合環深入到腔體中的長度，可以調節探針(9)的耦合量，酒杯家具(5)，由聚四氟乙烯製成用於盛放待測樣品，厚度根據被測材料的參數進行優化調整，內直徑為開路處同軸外導體內徑的4倍以上。同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I),如圖2所示，其中內導體(8)為圓柱形漸變結構，外導體由外導體下部(7)和外導體上部(6)兩部分構成，也是圓柱形漸變結構，外導體和內導體的尺寸必須滿足同軸線各處的特性阻抗相同，底部(11)，其中間開孔型槽，可以將內導體固定在底部上，底座(12)，實現了整個諧振腔的固定。SMA到其他同軸連接器的轉換器(2)，實現了 SMA接頭到其他同軸連接器也就是矢量網絡分析儀配套電纜(3)的接頭的轉換。
[0010]該微波測試系統的具體工作過程是:矢量網絡分析儀(4)通過電纜(3)、SMA到其他同軸連接器的轉換器(2)、探針(9)與同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)
(I)進行連接，將酒杯家具(5)放置在開放式諧振腔上，儘量使得酒杯家具和諧振腔內導體
(8)同軸；然後通過耦合量調節器(10)調節探針(9)深入腔體的長度，使得整個系統在諧振頻點處的品質因數最大，並記錄此時系統的諧振頻率和品質因數；而後將待測測材料樣品嵌入酒杯家具(12)中，需保證樣品放入酒杯家具中後的上表面平整度，測量待測樣品厚度；最後測試系統的有載諧振頻點和品質因數，根據相應的算法計算出待測樣品的復介電常數。
[0011]有益效果:
[0012]—、本系統採用同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)加載介質材料的方式，利用耦合量調節器控制了系統中能量的饋入量，實現了對腔體品質因數的有效控制。
[0013]二、將酒杯家具放置在開放式諧振腔上，系統可以對高損耗的介質材料測試，解決了諧振腔不適於測試高損耗材料的問題。
[0014]三、本系統能夠在寬頻帶範圍內的多個離散頻點上得到滿意的特性，性能良好，具有穩定性。
[0015]四、對樣品的要求低，系統特別適合粉末及液體樣品的測試。
[0016]五、當酒杯家具換為平板密封同軸腔後，系統適合粉末及液體樣品的在線測試，如汙水監控等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本系統的結構示意圖。
[0018]其中，I是同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator), 2是SMA到其他同軸連接器的轉換器，3是電纜，4是矢量網絡分析儀，5是酒杯家具，9是探針。
[0019]圖2是同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)的剖面示意圖。
[0020]圖3是耦合量調節器的示意圖。

【具體實施方式】
[0021]將酒杯家具(5)放置在同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I)上,而後將探針插入到腔體內，並使其與SMA到其他同軸連接器的轉換器(2)、電纜(3)，矢量網絡分析儀(4)連接在一起，實現了整個系統的連結。
[0022]利用同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)測試微波材料電磁參數的具體步驟是:
[0023]步驟1:選定測試頻率範圍，通過耦合量調節器調節探針深入腔體的長度，使得系統在諧振頻點處的品質因數最大，記錄加載任何樣品的系統在測試範圍內系統的諧振頻率f0和相應頻點的品質因數Q。；
[0024]步驟2:將適量的待測材料放入酒杯家具中，厚度為d，測試得到加載樣品後系統在測試範圍內的諧振頻率和相應的有載品質因數Q1 ；
[0025]步驟3:利用諧振腔的微擾理論或者諧振腔內場結構分布特性，計算得到待測材料的復介電常數。
[0026]本發明的同軸開放式諧振腔測試方法具有操作簡單，測試時間短，精度高，並且對樣品製作的要求比較低，不僅適用於低損耗微波材料的復介電常數測試，同樣的適用於高損耗微波材料，特別適用於粉末及液體材料的測試，並且當酒杯家具換為平板密封同軸腔後，系統適合粉末及液體樣品的在線測試，如汙水監控等。該發明具有很強的實用性和較高的競爭力，並且對汙水監控的在線測試提出了新的測試方案。
[0027]以上是向熟悉本發明領域的工程人員提供的對本發明及其實施方案的描述，這些描述應被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術人員可據此發明權利要求書中的思想做具體的操作實施。自然也可以據以上所述對實施方案做一系列的變更。上述這些都應被視為本發明的涉及範圍。
[0028]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種高損耗液體及粉末材料微波復介電常數測試新方法，包括同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I)、SMA到其他同軸連接器的轉換器(2)、電纜(3)、矢量網絡分析儀(4)、酒杯家具(5)和探針(9)六部分；所述同軸開放式諧振腔(Open CoaxialResonator) (I)由內導體(8)、外導體、底部(11)和底座(12)構成，其中外導體包括外導體下部(7)和外導體上部(6)兩部分，底部中間開孔型槽可以實現內導體的固定，底座實現了整個諧振腔的固定；所述外導體下部(7)、外導體上部(6)、底部(11)和底座(12)，由銀或黃銅製作，內導體(8)由銀製作，並且外導體和內導體的尺寸必須保證同軸線各處的特性阻抗相同；所述探針(9)採用的是帶有SMA接頭的同軸探針，將其末端製作成環狀，從而實現系統的環耦合；所述耦合量調節器(10)，由黃酮製作，通過調節耦合環深入到腔體中的長度，可以調節探針(9)的耦合量；所述酒杯家具(5)由聚四氟乙烯構成，實現待測樣品的盛放，其厚度根據被測材料的參數進行優化調整，內直徑為開路處同軸外導體內徑的4倍以上；SMA到其他同軸連接器的轉換器(2)，實現了 SMA接頭到其他同軸連接器也就是矢量網絡分析儀配套電纜(3)的接頭的轉換；SMA到其他同軸連接器的轉換器經電纜和矢量網絡分析儀相連。
2.根據權利要求1所述的用於材料復介電常數測試的系統，其特徵在於，所述置酒杯家具(5)與其上的同軸開放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I),通過探針(9)、SMA到其他同軸連接器的轉換器(2)、電纜(3)與矢量網絡分析儀(5)進行連接，用於被測材料復介電常數的測試。
3.根據權利要求1所述的用於微波材料復介電常數的同軸開放式諧振腔測試方法，其特徵在於，所述方法可以高損耗微波材料的復介電常數的高精度測試，在寬頻帶範圍內的多個點頻上測試，特別適用於粉末及液體材料的復介電常數測試，並且對樣品製作的要求低；當酒杯家具換為平板密封同軸腔後，該測試系統同樣適合於粉末及液體樣品的在線測試，如汙水監控等。
【文檔編號】G01R27/26GK104237648SQ201310250507
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月24日 優先權日:2013年6月24日
【發明者】李恩, 韓利存, 郭高鳳, 高源慈, 鄭虎, 陶冰潔 申請人:電子科技大學