低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试系统及方法与流程

本发明涉及微波测试技术领域，特别是指一种低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试系统及方法。

背景技术：

微波材料作为电磁波传输媒质已广泛的应用于微波的各个领域，比如微波电路、通信、导弹制导、电子对抗、雷达隐身、遥感和遥测等。对于非磁性介质材料来说，复介电常数(即相对介电常数和介质损耗角正切两个参数)是评价非磁性介质材料性能的主要依据，也是进行微波器件设计的重要参数。因此，在应用或是研发这类材料用于航空航天、通信和信息技术等领域时，人们必须首先通过测试来评估其特定频率下的复介电常数大小。近年来，随着高科技领域对射频微波元器件的要求越来越高，人们越来越关心相关材料在微波波段的复介电常数。

对于块体电介质材料而言，根据其不同特性，目前可以采用谐振法、传输法、传输线终端法、自由空间法等很多种方法来测量其复介电常数。其中，谐振法是将被测样品放入谐振腔中，根据放入样品前后其谐振频率和品质因数的变化来确定被测样品的复介电常数，其是复介电常数测量使用较多的一种方法，其测量准确度也是最高的。

对于介质粉末材料而言，通常需要预先将其干压成特定的块体形状，再采用与块体类似的谐振法、传输法等原理进行测量。这类方法的主要缺点是：

(1)对于不同的测试方法，需要将介质粉末干压成不同的形状，需要准备特定的模具；

(2)干压成型的样品容易损坏，从而污染测试夹具，造成测量结果不准确；

(3)对于不易成型的材料，需要使用粘结剂，而粘结剂本身会影响测量结果的准确性。

对于液体介质，通常需要将其置于特定容器中，一般采用开口同轴传输线探头，也叫传输线终端法进行测量，而这种方法一般只适合测量损耗较大的液体，对低损耗液体的测量精度误差较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种对被测样品不会造成损伤或损失，并且结构简单、操作方便、测试效率高和测试准确度高的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统，包括网络分析仪、专用测试夹具和同轴电缆，所述专用测试夹具包括上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔和设置于所述上半封闭谐振腔与下半封闭谐振腔之间的样品架，所述样品架的上方中部设置有用于放置被测样品的第一盲孔，所述上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔上均设置有耦合探针，所述耦合探针通过所述同轴电缆与网络分析仪连接。

进一步的，所述第一盲孔的直径大于所述上半封闭谐振腔的内腔直径和下半封闭谐振腔的内腔直径，并且小于所述上半封闭谐振腔的外壁直径和下半封闭谐振腔的外壁直径。

进一步的，所述第一盲孔的上方设置有与所述第一盲孔同轴的第二盲孔，所述第二盲孔的直径大于所述第一盲孔的直径，所述样品架的下方设置有与所述第一盲孔同轴的第三盲孔，所述上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔分别紧密卡设在所述第二盲孔和第三盲孔上。

进一步的，所述第二盲孔和第三盲孔的直径相同，所述上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔的尺寸相同。

进一步的，所述样品架为介质损耗<1×10^-4量级以下的超低损耗的介质材料。

进一步的，所述上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔的侧壁上分别设置有第一通孔和第二通孔，两个耦合探针分别穿过所述第一通孔和第二通孔。

进一步的，所述样品架的材料为石英玻璃或二氧化硅单晶。

一种低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试方法，包括：

步骤1：搭建上述测试系统；

步骤2：所述样品架内不放置被测样品，调节所述耦合探针在上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔内的深度，利用所述网络分析仪测量某一特征模式的特征谐振峰的峰值f1和品质因数q1；

步骤3：从所述测试系统上取下所述样品架，将被测样品放置在所述样品架内，之后将所述样品架安装在所述上半封闭谐振腔与下半封闭谐振腔之间，利用所述网络分析仪测量对应特征模式的特征谐振峰的峰值f2和品质因数q2；

步骤4：计算被测样品的相对介电常数和介质损耗角正切值。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试系统及方法基于谐振法对介质粉末或液体的复介电常数进行测试，比基于传输/反射法的其他测试方法具有更高的测试效率和测试准确度。其中本发明的测试系统采用固定长腔法测量低损耗介质粉末或液体的复介电常数，通过将谐振腔分为上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔，并将用于放置被测样品的样品架置于上半封闭谐振腔与下半封闭谐振腔之间。在测试时，首先测量样品架内没有放置被测样品时某一特征模式的特征谐振峰的峰值和品质因数；然后测量样品架的第一盲孔内放置被测样品时的同一特征模式的特征谐振峰的峰值和品质因数，然后根据谐振峰的峰值和品质因数即可计算出被测样品的相对介电常数和介质损耗正切值。本发明通过在上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔之间设置样品架，并且样品架上设置第一盲孔来放置被测样品。当被测样品为低损耗介质粉末或液体时，被测样品无需特殊处理，将粉末压入或液体倒入样品架的第一盲孔后即可进行直接测试，并且在测试过程中对被测介质粉末或液体不会造成损伤或损失，对后续研制或研究工艺没有影响。本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统结构简单，操作方便，只需测试样品架内放置被测样品前和放置被测样品后谐振腔内某一模式的特征谐振峰的峰值和品质因数即可计算出被测样品的相对介电常数和介质损耗正切值，即被测样品的复介电常数。

附图说明

图1为本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统的结构示意图；

图2为本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统中样品架的结构示意图；

图3为图2所示的样品架的俯视图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统，如图1至图3所示，包括网络分析仪1、专用测试夹具3和同轴电缆2，专用测试夹具3包括上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3和设置于上半封闭谐振腔3-1与下半封闭谐振腔3-3之间的样品架3-2，样品架3-2的上方中部设置有用于放置被测样品4的第一盲孔3-2-1，上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3上均设置有耦合探针3-4，耦合探针3-4通过同轴电缆2与网络分析仪1连接。

本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试系统基于谐振法对介质粉末或液体的复介电常数进行测试，比基于传输/反射法的其他测试方法具有更高的测试效率和测试准确度。其中本发明的测试系统采用固定长腔法测量低损耗介质粉末或液体的复介电常数，通过将谐振腔分为上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔，并将用于放置被测样品的样品架置于上半封闭谐振腔与下半封闭谐振腔之间。在测试时，首先测量样品架内没有放置被测样品时某一特征模式的特征谐振峰的峰值和品质因数；然后测量样品架的第一盲孔内放置被测样品时的同一特征模式的特征谐振峰的峰值和品质因数，然后根据谐振峰的峰值和品质因数即可计算出被测样品的相对介电常数和介质损耗正切值。本发明通过在上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔之间设置样品架，并且样品架上设置第一盲孔来放置被测样品。当被测样品为低损耗介质粉末或液体时，被测样品无需特殊处理，将粉末压入或液体倒入样品架的第一盲孔后即可进行直接测试，并且在测试过程中对被测介质粉末或液体不会造成损伤或损失，对后续研制或研究工艺没有影响。本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数的测试系统结构简单，操作方便，只需测试样品架内放置被测样品前和放置被测样品后谐振腔内某一模式的特征谐振峰的峰值和品质因数即可计算出被测样品的相对介电常数和介质损耗正切值，即被测样品的复介电常数。

当采用本发明的测试系统对被测样品的复介电常数进行测试时，在本发明的测试系统产生的电磁场模型中，电磁场在上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3的对接处最强，并沿谐振腔的径向向外逐渐减小。由于上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3之间会存在一个由样品架3-2造成的缝隙，电磁场会从缝隙处沿样品架3-2的径向有一定的延伸。因此，为了使被测样品4尽可能的覆盖电磁场的范围，本发明中，第一盲孔3-2-1的直径优选大于上半封闭谐振腔3-1的内腔直径和下半封闭谐振腔3-3的内腔直径，并且小于上半封闭谐振腔3-1的外壁直径和下半封闭谐振腔3-1的外壁直径。

进一步的，第一盲孔3-2-1的上方优选设置有与第一盲孔3-2-1同轴的第二盲孔3-2-2，第二盲孔3-2-2的直径大于第一盲孔3-2-1的直径，样品架3-2的下方设置有与第一盲孔3-2-1同轴的第三盲孔3-2-3，上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3分别紧密卡设在第二盲孔3-2-2和第三盲孔3-2-3上。第一盲孔3-2-1与第二盲孔3-2-2形成阶梯孔，上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3分别通过紧密卡设在第二盲孔3-2-2和第三盲孔3-2-3上与样品架3-2连接，结构简单，并且便于样品架3-2与半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3之间的拆装。

优选的，第二盲孔3-2-2和第三盲孔3-2-3的直径可以相同，上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3的尺寸相同。上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3形成的封闭谐振腔的中间位置磁场最强，而上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3的尺寸相同可以使样品架3-2内的被测样品4位于谐振腔内磁场最强的位置，使得被测样品的微波复介电常数的测量值更加准确。

为了确保样品架3-2的材质不影响被测样品4的微波复介电常数的测量的准确性，样品架3-2优选为介质损耗<1×10^-4量级以下的超低损耗的介质材料。样品架3-2自身的介电常数一般不要大于5，可优选石英玻璃、二氧化硅单晶等，这种材质的样品架具有刚性好、不易变形的特点。

进一步的，上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3的侧壁上优选分别设置有第一通孔3-1-1和第二通孔3-3-1，两个耦合探针3-4分别穿过第一通孔3-1-1和第二通孔3-3-1。第一通孔3-1-1和第二通孔3-3-1分别位于上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3的中心线的两侧，耦合探针3-4起到微波信号收发的作用，并且能够通过穿过第一通孔3-1-1和第二通孔3-3-1调节其在上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3内的深度。

另一方面，本发明还提供一种低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试方法，包括：

步骤1：搭建上述测试系统；

步骤2：样品架3-2内不放置被测样品4，调节耦合探针3-4在上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3内的深度，利用网络分析仪1测量某一特征模式的特征谐振峰的峰值f1和品质因数q1；

步骤3：从测试系统上取下样品3-2架，将被测样品4放置在样品架3-2内，之后将样品架3-2安装在上半封闭谐振腔3-1与下半封闭谐振腔3-3之间，利用网络分析仪1测量对应特征模式的特征谐振峰的峰值f2和品质因数q2；

步骤4：计算被测样品4的相对介电常数和介质损耗角正切值。

本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试方法基于谐振法对被测样品的复介电常数进行测试，比基于传输/反射法的其他测试方法具有更高的测试效率和测试准确度。其中测试系统采用固定长腔法测量低损耗介质粉末或液体的复介电常数，通过将谐振腔分为上半封闭谐振腔和下半封闭谐振腔，并将用于放置被测样品的样品架置于上半封闭谐振腔与下半封闭谐振腔之间。在测试时，首先测量样品架内没有放置被测样品时某一特征模式的特征谐振峰的峰值和品质因数；然后测量样品架的第一盲孔内放置被测样品时的同一特征模式的特征谐振峰的峰值和品质因数，然后根据谐振峰的峰值和品质因数即可计算出被测样品的相对介电常数和介质损耗正切值。本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试方法简单，操作方便，只需测试样品架内放置被测样品前和放置被测样品后谐振腔内某一模式的特征谐振峰的峰值和品质因数即可计算出被测样品的相对介电常数和介质损耗正切值，即被测样品的复介电常数。

由于被测样品在某一特征模式的特征谐振峰的峰值f2和品质因数q2的计算原理及方法已在相关文献(如期刊《ieeetrans.onmicrowavetheoryandtechniques》于1999年10月第47卷公开的论文《full-waveanalysisofasplit-cylinderresonatorfornondestructivepermittivitymeasurements》)中记载，属于现有技术，并且不是本发明的改进点，在此不再赘述。

现给出采用本发明的低损耗介质粉末或液体的微波复介电常数测试系统及方法测量聚四氟乙烯基陶瓷复合材料粉末和环己烷液体两种非磁性介质材料的微波复介电常数的实施例。

实施例1：

a.制作一种特定尺寸的专用测试夹具，其中样品架3-2可装载被测样品4聚四氟乙烯基陶瓷复合材料粉末的厚度为0.5mm，在不放聚四氟乙烯基陶瓷复合材料粉末时，测得te011特征谐振峰的峰值f1为10.0181ghz和品质因数q1为16280；

b.取下样品架3-2，将聚四氟乙烯基陶瓷复合材料的粉末放入样品架3-2中并压实；

c.再次将样品架3-2放置在上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3之间，测得对应te011模式的特征谐振峰的峰值f2为9.6652ghz和品质因数q2为3420；

d.计算聚四氟乙烯基陶瓷复合材料的相对介电常数为4.09和介质损耗角正切值为0.0022。

实施例2：

a.制作另一种特定尺寸的专用测试夹具3，其中样品架3-2可装载被测样品4环己烷液体的厚度为0.5mm，在不放环己烷液体时，测得te011特征谐振峰的峰值f1为20.1239ghz和品质因数q1为7560；

b.取下样品架3-2，将环己烷液体注入样品架3-2中；

c.再次将样品架3-2放置在上半封闭谐振腔3-1和下半封闭谐振腔3-3之间，测得对应te011模式的特征谐振峰的峰值f2为19.6673ghz和品质因数q2为6370；

d.计算环己烷液体的相对介电常数为2.02和介质损耗角正切值为0.00029。

该测量结果与文献中报道过的环己烷的介电性能(环己烷的介电常数为2.0～2.1，损耗角正切值约为0.0003～0.0016)基本一致，从而也证明本发明提供的测试系统及方法可行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。