[发明专利]电介质材料微波复介电常数测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于微波、毫米波材料电磁参数测试技术领域，具体来说是一种由同轴开放式谐振腔(Open Coaxial Resonator)和测试夹具组成的关于电介质材料的复介电常数测试的系统及方法。

背景技术

微波材料作为微波的传输媒质，在微波集成电路、微波通信、雷达隐身、电子对抗、导弹制导等各个领域都有广泛的应用。微波材料的电磁参数一般指复介电常数和复磁导率，通常以复数形式ε(jω)＝ε'(jω)-jε(jω)，μ(jω)＝μ'(jω)-jμ(jω)表示，它们是描述电磁场和材料之间相互作用最基本的两个特征参数。随着无线通信工作频率越来高，无线射频器件正趋向模块集成发展，作为微电子技术发展先导因素的介质材料，其应用越来越广泛。介质材料的性能，是决定微电子技术和半导体制造技术发展的至关重要因素。工业化工领域，矿产资源作为人类社会发展的物质基础，其利用率的提高对能源节约有不可忽略的重大意义。例如煤炭微波脱硫过程的进行，对于煤炭粉末的复介电常数测试就是必不可少的。此外，生物材料是以和生命系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。生物材料的电磁特性研究在整个材料的成形到临床应用过程中有着至关重要的作用，因此对生物材料的复介电常数的精确测量具有重要的社会意义和医学价值。因此，准确测量介质材料的电磁参数对于无线通信技术以及微波毫米电路集成的发展具有举足重轻的作用。

微波材料电磁参数测试经过几十年的发展，已经形成了一套相对完整的学科体系。目前，在微波、毫米波频段，微波材料测试方法按原理可分为网络参数法和谐振腔法。本发明属于谐振腔法的一种，谐振腔法是将微波材料置入谐振腔中，根据放入样品前后谐振频率和品质因数的变化，通过相应的算法来计算样品复介电常数的一种方法。

近年来国内外对电介质材料的测试做了大量的研究，产生了一些比较新颖并且测试精度很高的测试方法。日本的Ryotaro Inoue和Yasuhiko Odat等人提出了一种利用同轴开放式谐振腔测试电介质材料复介电常数的方法，但是该方法测试过程中需要抽取真空，操作相对繁琐，其只适用于低损耗的电介质材料的测试，并且测试频带比较窄；国内华中科技大学的张秀成等人也提出过利用反射式矩形谐振腔，选用品质因数较高的TE₁₀₅工作模式，通过在宽边中央钻圆形小孔来放置电介质材料，这种方法测试电介质材料，只能在单一频点上测试，并且在圆形小孔中电介质材料无法精确定位，会对测试结果产生一定的影响；

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电介质材料微波复介电常数测试系统及方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电介质材料微波复介电常数测试系统，包括：同轴开放式谐振腔，包括底座、固定板、支撑于底座和固定板之间的支撑杆、固定于底座上方支撑杆内部的外导体、和外导体同轴设置的内导体，所述内导体具有圆柱形的底部及圆锥形的顶部，所述外导体具有与内导体形状相同的内腔，且内腔和内导体半径的比例恒定；耦合量调节器，设置于所述外导体上，调节器上连接有向谐振腔内部延伸且延伸距离可调的同轴探针，探针伸出腔体外的部分设有SMA接头，SMA接头连接其他同轴连接器的转换器后经电缆和矢量网络分析仪相连，探针的末端连接伸入谐振腔内部的位于外导体和内导体之间的耦合环，外导体腔体的顶部为开路端面，开路端面上方设有夹具、用于放置样品的样品区、以及将夹具和样品压紧的加压装置。

外导体内腔和内导体的底部都为圆柱体，顶部都为圆锥体，这样可以减小上部开路处的孔径，减小电磁场向外辐射的能量，提高谐振腔的品质因数。

外导体的内腔和内导体半径的比例恒定，从而使同轴线各处的特性阻抗相同。

SMA到其他同轴连接器的转换器，实现了SMA接头到其他同轴连接器也就是矢量网络分析仪配套电缆的接头的转换。

通过外部加压装置将待测材料和夹具之间的空气排出，减小了层隙对测试结果的影响，使该系统和方法的测试精度得到很大提高。

作为优选方式，所述同轴探针通过向谐振腔内部延伸的螺纹与调节器螺纹连接。

作为优选方式，所述加压装置为与所述固定板垂直螺纹连接的螺纹杆。

作为优选方式，测试低损耗固体电介质材料时，所述夹具为压紧夹具，压紧夹具下方为样品区，压紧夹具为和开路端面的外导体外径相同的圆柱体，压紧夹具的厚度为15-25mm。