具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法
【專利摘要】具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法，屬于微波、毫米波材料電磁參數(shù)測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】。測(cè)試裝置，包括順序連接的同軸電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭、隔離器、雙向耦合器、矩形波導(dǎo)和開(kāi)孔短路板；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸入同軸電纜與同軸電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭相連，雙向耦合器遠(yuǎn)離短路板的耦合端輸出測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸出同軸電纜輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，雙向耦合器靠近短路板的耦合端連接有一匹配負(fù)載。本發(fā)明提供的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)能夠方便地取放測(cè)試樣品，減小矩形波導(dǎo)終端短路法測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，提高測(cè)試效率和測(cè)試系統(tǒng)的壽命。
【專利說(shuō)明】具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波、毫米波材料電磁參數(shù)測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體基于終端短路法的微 波介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微波介質(zhì)材料作為電磁波傳輸媒質(zhì)已廣泛的應(yīng)用于航天航空、微波電路、通信、導(dǎo) 彈制導(dǎo)、電子對(duì)抗、隱身技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、遙感和遙測(cè)等，因此掌握微波介質(zhì)材料參數(shù)對(duì)其研 發(fā)、生產(chǎn)和使用有著極其重大的意義。終端短路法是將待測(cè)介質(zhì)材料樣品填充于終端短路 的傳輸線內(nèi)，通過(guò)測(cè)試該傳輸線的復(fù)反射系數(shù)，計(jì)算得到樣品的復(fù)介電常數(shù)。對(duì)于常規(guī)的終 端短路法而言，其所采用的短路板用螺絲與矩形波導(dǎo)連接?；谶@種方式存在以下幾點(diǎn)：1、 每次測(cè)試時(shí)都需要把短路板拆卸下來(lái)取出樣品，操作不便；2、對(duì)于高溫測(cè)試采用的是能經(jīng) 受高溫的材料來(lái)制作波導(dǎo)、短路板和螺絲，這些材料的機(jī)械性能不好，多次拆卸后有可能會(huì) 對(duì)波導(dǎo)和短路板造成損壞影響測(cè)試，特別是螺絲非常容易損壞；3、由于短路板是緊貼著波 導(dǎo)，樣品的尺寸和波導(dǎo)內(nèi)壁尺寸相當(dāng)，每次放入樣品時(shí)在樣品和短路板之間會(huì)形成空氣柱， 不便于樣品的放入，甚至造成樣品和短路板之間形成空氣層，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成很大的影響。
[0003] 由于微波介質(zhì)材料測(cè)試用矩形波導(dǎo)終端短路測(cè)試系統(tǒng)的矩形波導(dǎo)內(nèi)徑尺寸與樣 品的尺寸相同，用傳統(tǒng)測(cè)試方法對(duì)微波介質(zhì)材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要將樣品緊靠終端短路板，當(dāng) 測(cè)試完一個(gè)樣品時(shí)要拆下終端短路板以取出樣品，然后又要將終端短路板安裝到測(cè)試系統(tǒng) 上，這樣就會(huì)影響下一次樣品測(cè)試的精度，因此將終端短路板開(kāi)孔可以非常方便地取出樣 品而不拆下終端短路板，最重要的是使得終端短路測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度和可重復(fù)性得到提 商。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)常規(guī)終端短路材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法所存在的技術(shù)問(wèn)題，提 供一種具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法，該復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及方法 采用了具有開(kāi)孔短路板矩形波導(dǎo)終端短路法測(cè)試系統(tǒng)，能夠方便地取放測(cè)試樣品，減小矩 形波導(dǎo)終端短路法測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，提高測(cè)試效率和測(cè)試系統(tǒng)的壽命。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，包括順序連接的同軸 電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭1、隔離器2、雙向耦合器3、矩形波導(dǎo)4和短路板5 ;還包括一個(gè) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8輸出的測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸入同軸電纜與同軸電纜 到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭1相連，雙向耦合器3遠(yuǎn)離短路板5的耦合端輸出測(cè)試信號(hào)通過(guò)信 號(hào)輸出同軸電纜輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8,雙向耦合器3靠近短路板5的耦合端連接有一匹 配負(fù)載7 ;短路板5中間區(qū)域開(kāi)有通孔。
[0007] 進(jìn)一步的，上述具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中，所述短路板5中 間區(qū)域的通孔數(shù)量至少為一個(gè)，通孔直徑以不影響短路板5作為矩形波導(dǎo)短路面在測(cè)試過(guò) 程中滿足電壓為零、電流為最大值的電流回路條件為限。
[0008] 進(jìn)一步的，所述同軸電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭1采用切比雪夫階梯阻抗變換方 式以達(dá)到同軸電纜與矩形波導(dǎo)之間的阻抗匹配。
[0009] 上述材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，隔離器2的作用是避免反射回來(lái)的電磁波影響信 號(hào)源并且吸收一部分反射波，以進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差；雙向耦合器3是將入射波和反射波 的疊加后總的電磁波f禹合一部分能量到輸出端口，而輸出端f禹合的反射波包含有樣品的復(fù) 介電常數(shù)信息；矩形波導(dǎo)4可以使電磁波在測(cè)試系統(tǒng)中傳播時(shí)，由于局部的不連續(xù)性而產(chǎn) 生的高次模消失，保證了單一模式的傳播；在終端接開(kāi)孔短路板5方便樣品的取、放，與未 開(kāi)孔的短路板相比最關(guān)鍵的是可以不用拆卸而是利用頂針就能取出樣品，不會(huì)對(duì)下一個(gè)樣 品測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：
[0011] 1、本發(fā)明在短路板5上開(kāi)孔使得測(cè)試系統(tǒng)使用更加方便。對(duì)待測(cè)介質(zhì)樣品進(jìn)行測(cè) 試時(shí)，由于待測(cè)樣品的尺寸和波導(dǎo)的尺寸幾乎相同，在安裝待測(cè)樣品時(shí)，若終端短路板不開(kāi) 孔，則波導(dǎo)中會(huì)形成封閉的腔體，很不利于待測(cè)樣品的放入。
[0012] 2、開(kāi)孔短路板能保證待測(cè)樣品能完全的緊靠矩形波導(dǎo)終端（短路板），每次測(cè)試 時(shí)無(wú)需要把短路板拆卸下來(lái)取出樣品，尤其是高溫測(cè)試時(shí)能夠避免對(duì)波導(dǎo)、短路板或連接 螺絲造成損壞，從而影響測(cè)試。
[0013] 3、由于取放被測(cè)介質(zhì)樣品無(wú)需拆卸短路板，因此測(cè)試前的校準(zhǔn)過(guò)程只需一次，這 樣也能進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差。
[0014] 4、本發(fā)明提供的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，高溫測(cè)試時(shí)，開(kāi)孔短路板有利于抽真空，并 且不會(huì)對(duì)被測(cè)介質(zhì)樣品造成損傷。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明提供的具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 其中，1是同軸到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭、2是隔離器、3是雙向耦合器、4是矩形波 導(dǎo)、5是開(kāi)孔短路板、6是被測(cè)介質(zhì)樣品、7是匹配負(fù)載、8是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
[0017] 圖2是實(shí)際的開(kāi)孔短路板加工圖。
[0018] 圖3是圖2所示開(kāi)孔短路板的三維視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，包括順序連接的同軸 電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭1、隔離器2、雙向耦合器3、矩形波導(dǎo)4和短路板5 ;還包括一個(gè) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8輸出的測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸入同軸電纜與同軸電纜 到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭1相連，雙向耦合器3遠(yuǎn)離短路板5的耦合端輸出測(cè)試信號(hào)通過(guò)信 號(hào)輸出同軸電纜輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8,雙向耦合器3靠近短路板5的耦合端連接有一匹 配負(fù)載7 ;短路板5中間區(qū)域開(kāi)有通孔。
[0020] 進(jìn)一步的，上述具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中，所述短路板5中 間區(qū)域的通孔數(shù)量至少為一個(gè)，通孔直徑以不影響短路板5作為矩形波導(dǎo)短路面在測(cè)試過(guò) 程中滿足電壓為零、電流為最大值的電流回路條件為限。
[0021] 進(jìn)一步的，所述同軸電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭1采用切比雪夫階梯阻抗變換方 式以達(dá)到同軸電纜與矩形波導(dǎo)之間的阻抗匹配。
[0022] 矩形波導(dǎo)工作模式TE1(I為主模，填充樣品后，可以在輸入端得到終端短路板未開(kāi) 孔時(shí)的公式（1) "周清一.微波測(cè)試技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社，1964"。
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，包括順序連接的同軸電纜到矩形波導(dǎo) 的轉(zhuǎn)換接頭（1)、隔離器（2)、雙向耦合器（3)、矩形波導(dǎo)（4)和短路板（5);還包括一個(gè)矢量 網(wǎng)絡(luò)分析儀（8)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（8)輸出的測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸入同軸電纜與同軸電纜 到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭（1)相連，雙向耦合器（3)遠(yuǎn)離短路板（5)的耦合端輸出測(cè)試信號(hào) 通過(guò)信號(hào)輸出同軸電纜輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（8)，雙向耦合器（3)靠近短路板（5)的耦合 端連接有一匹配負(fù)載（7);短路板（5)中間區(qū)域開(kāi)有通孔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于， 所述短路板（5)中間區(qū)域的通孔數(shù)量至少為一個(gè)，通孔直徑以不影響短路板（5)作為矩形 波導(dǎo)短路面在測(cè)試過(guò)程中滿足電壓為零、電流為最大值的電流回路條件為限。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，所述同軸電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭（1)采用切比雪夫階梯阻抗變換方式以達(dá)到同軸 電纜與矩形波導(dǎo)之間的阻抗匹配。
4. 具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試方法，包括以下步驟： 步驟一：搭建具有開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行反射校準(zhǔn)，所述具有 開(kāi)孔短路板的材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)包括順序連接的同軸電纜到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接頭 (1)、隔離器（2)、雙向耦合器（3)、矩形波導(dǎo)⑷和短路板（5);還包括一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (8)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（8)輸出的測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸入同軸電纜與同軸電纜到矩形波導(dǎo) 的轉(zhuǎn)換接頭（1)相連，雙向耦合器（3)遠(yuǎn)離短路板（5)的耦合端輸出測(cè)試信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸 出同軸電纜輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（8)，雙向耦合器（3)靠近短路板（5)的耦合端連接有一 匹配負(fù)載（7);短路板（5)中間區(qū)域開(kāi)有通孔； 步驟二：用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試溫度T下未放測(cè)試樣品時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的反射系數(shù)Sn@， 并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)； 步驟三：在矩形波導(dǎo)（4)中加載待測(cè)介質(zhì)樣品，所加載的待測(cè)介質(zhì)樣品厚度為d，大小 與矩形波導(dǎo)（4)的截面相適應(yīng)，保證待測(cè)介質(zhì)樣品與矩形波導(dǎo)（4)的內(nèi)壁之間無(wú)縫隙且緊 靠短路面；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試溫度T下樣品的反射系數(shù)S& ; 步驟四：利用步驟二和步驟三測(cè)試得到的兩組數(shù)據(jù)，計(jì)算待測(cè)介質(zhì)樣品在溫度T下的 復(fù)介電常數(shù)，具體包括以下步驟： 1 :計(jì)算待測(cè)介質(zhì)樣品波導(dǎo)段中的傳輸系數(shù)Y，具體計(jì)算過(guò)程如下： 根據(jù)公式：
而
，f〇為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入矩形波導(dǎo)4的測(cè)試信號(hào)頻率；λ。為矩形波導(dǎo)4在 測(cè)試溫度Τ下的截止波長(zhǎng)，且λ。= 2 · a · (1+α 1Τ · Τ)，其中：a是常溫下矩形波導(dǎo)的寬邊 長(zhǎng)，α 1T為測(cè)試溫度T下測(cè)試波導(dǎo)材料的線性膨脹系數(shù)；由上述過(guò)程計(jì)算出被測(cè)介質(zhì)樣品 波導(dǎo)段中的傳輸系數(shù)Y = ; 2 :計(jì)算待測(cè)介質(zhì)樣品的復(fù)介電常數(shù)，具體計(jì)算方法為：
其中^ 為介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)，tan δ ￡為損耗角正切。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK104090171SQ201410353118
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】李恩, 王依超, 郭高鳳 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)