專利名稱：非金屬材料微波介電性能的測試方法及其實施設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于非金屬材料的微波復介電常數、復磁導率等電性能參數的測試方法及為實施該方法而專門設計的設備。
隨著微波集成、移動電話、衛星通訊、廣播、電視、雷達、電子對抗，微波在工、農業生產過程中的應用，日用微波以及微波生物、醫學等領域的發展，涉及到從半導體到絕緣體，從磁性到非磁性的各類材料，這些材料電學性能差異很大。目前，按材料性能不同，采用三類不同的測量方法對低介電常數、低損耗材料采用各種波模的諧振腔法；對高介電常數、低損耗材料采用介質諧振腔法；對大損耗的磁性或非磁性材料則采用駐波測量線和微波矢量網絡分析儀的方法。因此，所需的設備和測試方法都比較復雜，使用很不方便，成本昂貴。因而，要求能測量材料電學性能差異很大的方法及其設備的呼聲愈來愈高。
本發明的目的是提供一種測試方法以及為實施此方法而專門設計的設備，能實現同時適用于上述三類材料的基本的電磁學性能的測量。
在敘述本發明測量方法前，先說明為實施該方法所需設備的結構方案。該設備包括目前廣泛使用的TEo1n模諧振腔，通過該腔上的微波信號輸入口1饋入頻率為2-40GHZ的微波穩頻信號，其諧振信號從探測信號輸出口2饋至諧振指示器。結構特點是在TEo1n模諧振腔3的腔體上安裝一段截止波導4，在截止波導內安放被測材料樣品5(以下簡稱樣品)，截止波導借助耦合孔6耦合到TEo1n模諧振腔構成復合諧振腔。利用TEo1n模高Q諧振腔的高靈敏度來測量截止波導中的材料性能。
截止波導的尺寸范圍如下截止波導長度＝25～50mm；截止波導直徑與TEo1n模諧振腔腔體直徑之比＝0.25～0.30；耦合孔等效面積與TEo1n模諧振腔腔體圓截面之比＝(3～5)×10-3。
圖面說明圖1是本發明設計的一種復合諧振腔的示意圖；圖2是本發明設計的另一種復合諧振腔的示意圖；圖3為圖1、圖2的A-A剖視圖。
參照


本發明設備方案的實施例。
例1如圖1所示，當TEo1n模諧振腔3的腔體(以下簡稱腔體)上的微波信號輸入口1和探測信號輸出口2設在腔體側壁時，一段銅制截止波導4被固定在腔體頂部，耦合孔6設在截止波導底部，被測材料樣品5安裝在截止波導4內，TEo1n腔的調諧活塞7是安裝在腔體的底部。
例2如圖2所示，當上述輸入口1和輸出口2設在腔體頂部時，截止波導4自由地放在腔體底部的調諧活塞7上，耦合孔設在截止波導的頂部。
耦合孔形狀由四個對稱長條孔(孔的兩端為弧形)組成，如圖3所示本發明的測量方法，既保持目前測量低介電常數和低損耗材料最佳的TEo1n模諧振腔法測量功能，又進行改造與擴展，建立新的測試方法，使其又能測量高介電常數、低損耗材料和吸波材料的電學參數或電磁學參數。即用一種設備裝置就可測量電學性能差異很大的幾種材料。
本發明方法的原理在不含樣品的截止波導4中，除了非常小的壁損耗之外，沒有功率被吸收，因此它通過耦合孔6引入到諧振腔3的阻抗實際上是純電抗；放入樣品5于截止波導4中時，部分功率被樣品吸收，并建立起反射場，產生一個電阻分量與電抗變化。這時通過耦合孔6到腔體3的功率減小，諧振腔產生相應的Q因子降低和諧振長度的變化。樣品離開截止波導的耦合孔6的距離和耦合孔6的大小決定了樣品5中的電場強度矢量，因而也決定了樣品5吸收的功率和電抗變化的大小。因此對截止波導4中置入樣品前后諧振腔3諧振行為的分析，便可得關于被測材料樣品5電性能的信息。
當截止波導中無樣品時，在某角頻率ω＝2πf條件下，測得諧振時的活塞位置讀數Lo和Q因子Qo；在離耦合孔S處放入厚度為d的樣品時，上述相應值為Lf、Ql，則輸入阻抗Ze＝Re+jXe的兩個分量分別為電阻Re=(λgλ0)2π2a2fμ0lA(1Qi-1Q0).....(1)]]>電抗Xe=ωμ0α0-πa2ωμ0A(Li-L0)......(2)]]>式中α0=2πλ0(λ0λc)2-1,λc=2πb/3.832......(3)]]>λc＝截止波長；λg＝波導波長；λo＝自由空間波長；μo＝真空磁導率；A＝耦合孔等效面積；1＝諧振腔長度；a＝諧振腔半徑；b＝截止波導半徑； αo＝空氣截止波導的衰減系數；角頻率ω＝2πf(f為頻率)。
根據傳輸線理論，可得空氣-介質界面的反射系數ρe＝ρe′-jρe″的實部和虛部為ρe′=α02(Xe2+Re2)-ω2μ02exp(-2α0S)[Re2α02+(ωμ0+α0Xe)2].....(4)]]>ρe′′=2α0Reωμ0exp(-2α0S)[Re2α02+(ωμ0+α0Xe)2].......(5)]]>
而空氣-介質界面的歸一化阻抗Z(0)/Z1在這種樣品排列時為(Z(0)Z1)e=1+ρe1-ρe=1+Z1Z1tanh2α1+Z1Z2tanh2α......(6)]]>式中Z1＝jωμ0/α0，Z2＝jωμ0/α；tanh為雙曲函數的正切；α=j2πλ0ϵr-(λ0λc)2......(7)]]>是截止波導中含樣品段的復傳播因子；εr＝εr′-jεr″＝εr′(1-jtanδ)是材料的相對復介電常數；這里介質損耗角正切tanδ＝εr″/εr′。
這樣，用測得的復反射系數ρe，用計算機按迭代法就能求取非磁性材料的εr′和tanδ。
對于磁性材料，因有α=j2πλ0ϵrμr-(λ0λc)2......(8)]]>Z2＝jωμ0μr/α (9)μr=(αα0)/(Z1Z2)......(10)]]>式中μr＝μr′-jμr″是材料的相對復磁導率。
所以除進行上述測量外，還要將樣品終端短路，再次以上述同樣方法步驟進行測量，獲得含樣品時活塞讀數Lk和Q因子Qk，從式(1)～(5)求出Rk、Xk和ρk，得到(Z(0)Z1)k=1+ρk1-ρk=Z2Z1tanh2α.......(11)]]>求解(6)和(11)組成的聯立方程，得(Z1Z2)2=1+(Z(0)Z1)k-(Z(0)Z1)e(Z(0)Z1)k(Z(0)Z1)e.....(12)]]>再從式(11)得α，代入式(10)獲得復數μr，再從(8)式求取εr′，即ϵr=1μr[(λ0λc)2-α2λ04π2].....(13)]]>本發明的測試方法1.求值耦合孔的等效面積A在某固定頻率下，在截止波導中不含任何東西條件下調節諧振腔到諧振，讀出諧振時活塞讀數Lo；再在截止波導中放入金屬短路板，使其緊貼耦合孔6，重新調諧得Lm，按下式計算AA＝πa2α0(Lm-L0) (14)2.對高介電常數(εr＞10)的非磁性材料的測量將微波信號發生器調節到您所需的頻率，當截止波導中不含樣品時，調節復合諧振腔的活塞到諧振，記下讀數Lo，測出Q因子Qo；在截止波導中放入厚度為d的樣品后，再調節活塞恢復諧振測得Li、Qi，按式(1)、(2)求出Re、Xe，從式(4)、(5)獲得ρe＝ρe′-jρe″，最后從式(6)、(7)用牛頓迭代法獲得材料的相對復介電常數εr＝εr′(1-jtanδ)。
當樣品緊貼耦合孔時(即S＝0)，式(4)～(7)合并簡化后得到Xeα0-jReα0ωμ0=1+(λ0/λc)2-1ϵr-(λ0/λc)2tan2πdλ0ϵr-(λ0/λc)21-ϵr-(λ0/λc)2(λ0/λc)2-1tan2πdλ0ϵr-(λ0/λc)2....(15)]]>這樣可以省去中間參數ρe，直接從測得的Xe和Re按迭代法得到復數εr。
3.對于磁性的大損耗吸波材料的測量
將微波信號發生器調節到所需的頻率，當截止波導中不含樣品時，調節復合諧振腔到諧振，記下讀數Lo和測出Q因子Qo。在截止波導中放入厚度為d的樣品后，調節活塞恢復諧振，測得Li、Qi；再將樣品后面加金屬板短路，調節活塞，再次恢復諧振，獲得Lk和Qk。將Qi、Qo和Li、Lo代入式(1)、(2)得Re、Xe；再將Lk和Qk替代Li和Qi代入式(1)、(2)，獲得Rk和Xk。將兩組R、X值代入式(4)、(5)得ρe＝ρe′-jρe″和ρk＝ρk′-jρk″，其相應的歸一化阻抗為(Z(0)Z1)i=1+ρi1-ρi(i=e,k).....(15)]]>從式(12)得到Z1/Z2。
接著，可從式(11)得到復傳播因子α。這樣從式(8)、(10)和(13)就最后得到材料的基本電磁復參數εrμr、μr和εr。
本發明方法的優點，除了測量性能差異很大的材料外，還有對樣品與波導配合要求低，即當樣品直徑小于截止波導直徑在0.5mm以內時，基本上不影響測量結果，不像波導或同軸測試系統，樣品必須與他們緊配合。
本發明的適用頻率范圍為2～40GHz。
為了解本發明方法使用效果，在試驗室條件下進行實際操作，其結果如下1.在8～12GHz和35GHz頻率條件下，我們在內徑2a＝50mm的TEo1n單模諧振腔上按圖2安裝截止波導。截止波導的內徑2b＝15mm，耦合孔面積A＝6.03mm2，在頻率9.375GHz測得材料BaTi4O9的εr′＝39.05，tanδ＝0.69×10-4。
2.在頻率為2～4GHz，我們在內徑2a＝180mm的TEo1n腔上按圖1安裝上截止波導，內徑2b＝50mm，耦合孔面積A＝120mm2，在頻率為4～8GHz則在內徑2a＝120mm的TEo1n腔上按圖1安裝截止波導內徑2b＝30mm，耦合孔A＝42mm2；測量含羰基鐵粉的環氧樹脂，其結果為頻率f(GHz) εrμrμrεr2.235.66-j12.302.99-j0.9412.06-j0.352.830.67-j14.192.37-j1.1312.86-j0.143.830.36-j14.672.41-j1.0512.85-j0.515.125.40-j15.772.38-j1.2911.02-j0.656.022.65-j16.572.02-j1.1811.95-j1.257.121.13-j15.721.84-j1.2311.92-j0.618.119.15-j15.121.62-j1.2012.07-j0.3權利要求
1.非金屬材料微波介電性能的測試方法，其特征是，該方法包括如下步驟1)確定耦合孔[6]等效面積A由微波信號口[1]饋入某給定頻率的微波信號，調節諧振腔[3]的調諧活塞[7]使諧振腔達到諧振，讀出諧振時調諧活塞位置讀數Lo；在截止波導[4]中貼緊耦合孔[6]處設置一塊金屬短路板，重新調節調諧活塞，讀得Lm，按下式得耦合孔等效面積AA＝πa2α0(Lm-L0) (14)2)在截止波導[4]中不放入材料樣品[5]，在給定頻率下，調節調諧活塞使復合諧振腔達到諧振，記下此時調諧活塞位置讀數Lo，并測出復合諧振腔的Q因子值Qo；3)在截止波導中放入厚度為d的材料樣品[5]，再調節調諧活塞，恢復諧振測得相應Li和Qi；4)利用由2)、3)步驟測得的Lo、Qo和Li、Qi，通過算式求得材料的復介電常數εr。
2.根據權利要求1的非金屬材料微波介電性能的測試方法，其特征是對于高介電常數(εr＞10)的非磁性材料，包括以下方法步驟1)將測出的Lo、Qo和Li、Qi，代入以下二式求出電阻Re和電抗XeRe=(λgλ0)2π2a2fμ0lA(1Qi-1Q0)......(1)]]>Xe=ωμ0α0-πa2ωμ0A(Li-L0).....(2)]]>式中α0=2πλ0(λ0λc)2-1,λc=2b/3.832.....(3)]]>2)從式ρe′=α02(Xe2+Re2)-ω2μ02exp(-2α0S)[Re2α02+(ωμ0+α0Xe)2]...(4)]]>ρe′′=2α0Reωμ0exp(-2α0S)[Re2α02+(ωμ0+α0Xe)2].....(5)]]>求得空氣-介質界面的反射系數ρe＝ρe′-jρe″的實部和虛部；3)從式(Z(0)Z1)e=1+ρe1-ρe=1+Z2Z1tanh2α1+Z1Z2tanh2α......(6)]]>和式α=j2λ0ϵr-(λ0λc)2......(7)]]>用測得的復反射系數ρe按式(6)用計算機按迭代法求得非磁性材料的復介電常數當材料樣品緊貼耦合孔即S＝0時，可直接從式Xeα0-jReα0ωμ0=1+(λ0/λc)2-1ϵr-(λ0/λc)2tan2πdλ0ϵr-(λ0/λc)21-ϵr-(λ0/λc)2(λ0/λc)2-1tan2πdλ0ϵr-(λ0/λc)2...(15)]]>按迭代法求得復介電常數εr。
3.根據權利要求1的非金屬材料微波介電性能的測試方式，其特征是對于磁性的大損耗吸波材料，包括以下方法步驟1)用上述同樣方法調諧求得Qo、Lo、Qi及Li；2)在材料樣品后面加金屬板短路再調諧得Lk和Qk值，先將Qi、Qo和Li、Lo代入上述(1)式(2)式得Re、Xe；再將Lk和Qk替代Li和Qi代入(1)式和(2)式得Rk和Xk，將上述兩組R、X值分別代入上述(4)式和(5)式，得ρe＝ρe′-jρe″和ρk＝ρk′-jρk″，其歸一化阻抗為(Z(0)Z1)i=1+ρi1-ρi(i=e,k).....(16)]]>由式(Z1Z2)2=1+(Z(0)Z1)k-(Z(0)Z1)e(Z(0)Z1)k(Z(0)Z1)e......(12)]]>求得Z1/Z2；再從式(Z(0)Z1)k=1+ρk1-ρk=Z2Z1tanh2α.......(11)]]>求出α；最后從下面兩式μr=(αα0)/(Z1Z2)........(10)]]>ϵr=1μr[(λ0λc)2-α2λ04π2].....(13)]]>分別得μr和εr。
4.為實施權利要求1所述非金屬材料微波介電性能測試方法的設備，包含TEo1n模諧振腔，通過微波信號輸入口[1]饋入頻率為2-40GH2的微波穩頻信號，其諧振信號從探測信號輸出口[2]饋至諧振指示器，其特征是在TEo1n模諧振腔[3]的腔體上安裝一段截止波導[4]，在截止波導內安放被測材料樣品[5]，截止波導借助耦合孔[6]耦合到TEo1n模諧振腔構成復合諧振腔。
5.根據權利要求4所述的設備，其特征是截止波導[4]的尺寸范圍 和形狀為截止波導長度＝25～50mm；截止波導直徑腔體直徑＝0.25～0.30；耦合孔等效面積腔體圓截面＝(3～5)×10-3；耦合孔形狀由四個對稱的長條孔(孔的兩端為弧形)組成。
6.根據權利要求4或5所述的設備，其特征是當TEo1n模諧振腔[3]的微波信號輸入口[1]和探測信號輸出口[2]設在腔體側壁時，截止波導[4]被固定在腔體頂部，耦合孔[6]設在截止波導[4]的底部。
7.根據權利要求4或5所述的設備，其特征是當TEo1n模諧振腔[3]的微波信號輸入口[1]和探測信號輸出口[2]設在腔體[3]的頂部，截止波導[4]自由地放在腔體底部的調諧活塞[7]上，耦合孔[6]設在截止波導的頂部。
全文摘要
本發明為非金屬材料微波介電性能的測試方法，為實施此法專門設計截止波導并通過耦合孔與TE
文檔編號G01N22/00GK1120165SQ9510927
公開日1996年4月10日 申請日期1995年8月12日 優先權日1995年8月12日
發明者倪爾瑚 申請人:浙江大學