[发明专利]基于基片集成波导圆形谐振腔的材料复介电常数测量方法

摘要

基于基片集成波导圆形谐振腔的材料复介电常数测量方法，涉及材料复介电常数测试技术领域。首先加工具有不同谐振频率（工作频率）的基片集成波导圆形谐振腔，然后针对同一谐振频率的基片集成波导圆形谐振腔，分别加载一个与介质层2材料相同的样品，一个复介电常数已知的标准样品和待测样品，利用矢量网络分析仪分别馈入扫频信号，测试三个样品的谐振频率和品质因素，最后联立方程求解，即可得到待测样品在所述基片集成波导圆形谐振腔工作频率下的复介电常数。换用别的工作频率的基片集成波导圆形谐振腔，重复同样的测试过程，即可完成材料复介电常数的多频点测试。本发明具有谐振腔体积小、加工方便的，测量结果精度高。

主权项

1.基于基片集成波导圆形谐振腔的材料复介电常数测量方法，包括以下步骤：步骤1：加工具有不同谐振频率的基片集成波导圆形谐振腔；所述基片集成波导圆形谐振腔由正反两面均覆盖有金属导电层的介质板加工而成，包括上金属导电层（1）、介质层（2）、下金属导电层（3），所述介质层（2）位于上金属导电层（1）和下金属导电层（3）之间，若干呈圆形均匀分布的金属化通孔（4）将上金属导电层（1）和下金属导电层（3）连接在一起；所述基片集成波导圆形谐振腔的工作模式采用第二个高次模TM₂₁₀模，设计加工时对应于该模式的基片集成波导圆形谐振腔尺寸由谐振频率f₂₁₀通过公式(1)得到：f210=c2πμrϵr(p21aeff)2---(1)]]>其中c是光速，μ_r是介质层（2）的相对磁导率，ε_r是介质层（2）的相对介电常数，p₂₁=5.136是二阶贝塞尔函数的第一个零点，a_eff是所述基片集成波导圆形谐振腔的等效半径，它与所述基片集成波导圆形谐振腔的实际半径a之间的关系可由(2)式确定：aeff=a-D20.95b---(2)]]>其中D是金属化通孔（4）的直径，b是同一水平截面上相邻两个金属化通孔（4）的圆心间距，而所述基片集成波导圆形谐振腔的实际半径a是同一水平截面上任意一个金属化通孔（4）的圆心与所述基片集成波导圆形谐振腔的几何中心之间的距离；所述基片集成波导圆形谐振腔还开有一个馈电孔（5）和一个测试样品加载孔（6），所述馈电孔通过同轴馈电接头（7）进行馈电，馈电时，同轴馈电接头（7）的外导体与上金属导电层（1）电气连接，同轴馈电接头（7）的内导体插入馈电孔（5）并与下金属导电层（3）电气连接；所述测试样品加载孔（6）为一个圆柱形通孔，位于距离馈电孔（5）几何中心最远的电场峰值处；步骤2：采用步骤1所加工的具有不同谐振频率基片集成波导圆形谐振腔对待测介质样品的复介电常数进行测试；具体过程如下：首先采用同一基片集成波导圆形谐振腔，对待测介质样品在该基片集成波导圆形谐振腔的工作频率，即该基片集成波导在设计加工时对应的谐振频率f₂₁₀下的复介电常数进行测试，包括以下步骤：步骤2-1：测量所述基片集成波导圆形谐振腔空载时的谐振频率f₁和品质因数Q₁；具体采用一个与测试样品加载孔（6）形状相同、且与介质层（2）材料相同的样品加载于测试样品加载孔（6）中，并用金属片盖紧上下两个端面，然后将矢量网络分析仪输出的扫频测试信号通过同轴电缆馈入馈电孔（5），测量此时基片集成波导圆形谐振腔的谐振频率f₁和品质因数Q₁；此时基片集成波导圆形谐振腔的谐振频率f₁和品质因数Q₁就是所述基片集成波导圆形谐振腔空载时的谐振频率f₁和品质因数Q₁；步骤2-2：测量所述基片集成波导圆形谐振腔加载标样时的谐振频率f₂和品质因数Q₂；具体采用一个与测试样品加载孔（6）形状相同、且复介电常数已知的标准样品加载于测试样品加载孔（6）中，并用金属片盖紧上下两个端面，然后将矢量网络分析仪输出的扫频测试信号通过同轴电缆馈入馈电孔（5），测量此时基片集成波导圆形谐振腔的谐振频率f₂和品质因数Q₂；步骤2-3：测量所述基片集成波导圆形谐振腔加载待测样品时的谐振频率f₃和品质因数Q₃；具体采用一个与测试样品加载孔（6）形状相同的待测样品加载于测试样品加载孔（6）中，并用金属片盖紧上下两个端面，然后将矢量网络分析仪输出的扫频测试信号通过同轴电缆馈入馈电孔（5），测量此时基片集成波导圆形谐振腔的谐振频率f₃和品质因数Q₃；步骤2-4：计算待测样品的复介电常数；先联立公式（3）和（4），计算微扰常数A和B：ϵ2,=Aϵ1,VcVs(f1-f2f2)+ϵ1,---(3)]]>tanδ2=ϵ2,,ϵ2,=BVcVs(Q1-Q2Q1Q2)1ϵ2,+tanδ1---(4)]]>再联立公式（5）和（6），计算待测样品的复介电常数：ϵ3,=Aϵ1,VcVs(f1-f3f3)+ϵ1,---(5)]]>tanδ3=ϵ3,,ϵ3,=BVcVs(Q1-Q3Q1Q3)1ϵ3,+tanδ1---(6)]]>公式（3）～公式（6）中：V_c是所述基片集成波导圆形谐振腔的体积，V_s是测试样品加载孔6的体积，是介质层2材料在所述基片集成波导工作频率下的复介电常数的实部，是介质层2材料在所述基片集成波导工作频率下的复介电常数的虚部，是标准样品材料在所述基片集成波导工作频率下的复介电常数的实部，是标准样品材料在所述基片集成波导工作频率下的复介电常数的虚部，是待测样品材料在所述基片集成波导工作频率下的复介电常数的实部，是待测样品材料在所述基片集成波导工作频率下的复介电常数的虚部，是介质层2材料在所述基片集成波导工作频率下的损耗角正切值，是标准样品材料在所述基片集成波导工作频率下的损耗角正切值，是待测样品材料在所述基片集成波导工作频率下的损耗角正切值；然后换用其他工作频率的同一基片集成波导圆形谐振腔，重复步骤2-1至步骤2-4的操作，即可测得待测介质样品在对应工作频率下的复介电常数。