專利名稱：1GHz～8GHz同軸線-介質圓波導諧振腔及介電參數測試方法
技術領域：
本發明涉及諧振腔電介質測試方法，尤其涉及一種用于IGHz 8GHz電介質測量的同軸線-介質圓波導諧振腔及介電參數測試方法。
背景技術：
在微波頻段，非磁性介質的基本電學參數，即相對介電常數e p介質損耗角正切 tan 6，是研究材料和研制相應介質元器件，如基片、介質諧振器、介質濾波器、介質天線、微帶天線、低溫共燒陶瓷(LTCC)、微波模塊、微波集成的基礎。眾所周知，在頻率IGHz 8GHz 的電介質測量，當前常用的同軸線傳輸測試方法是圓環樣品的反射-傳輸測量或圓柱樣品的反射-傳輸測量。前者由于樣品與同軸線內、外導體的配合間隙，導致非常可觀的測量偏差，并隨介電常數的增大而快速升高。后者由于同軸線-充滿介質圓波導組合結構中存在一系列TMtlp模，使計算極其復雜。本方法采用同軸線-圓波導組合結構的諧振原理，使在同軸線和同軸線內導體內導體與金屬短路板之間的間隔處充滿介質而形成的組合腔體在最低波模諧振。這樣，被同軸線-介質圓波導這個不連續界面所激勵起的只有TMtll模。導致在同軸線中只有TEM導行波和TMtll消逝波，介質圓波導中只有TM01消逝波或導行波。從而實現在TMtll模下測量材料的e r和tan S。這不僅克服了在同軸線中制備和插入緊密配合的圓環狀樣品的困難，而且實現了樣品中電磁場分布與樣品尺寸及工作頻率無關，以及樣品徑向尺寸與金屬壁的配合誤差不再是引起測量不確定性的主要因素。可以用于測量介電常數從接近于I到約為100的介質材料。特別適宜于單面敷金屬板基片和泡沫材料的測量。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種IGHz 8GHz的同軸線-介質圓波導諧振腔的介電參數測試裝置及其測試方法。IGHz 8GHz頻段用于電介質測量的同軸線_介質圓波導諧振腔的測量裝置包括同軸線外導體、同軸線內導體、可移動探針、可調節短路器、輸入耦合環、圓柱介質樣品、金屬短路板、微波輸入信號和輸出駐波信號；同軸線外導體和同軸線內導體為同軸結構、同軸線外導體上設有軸向縫隙，在軸向縫隙上設有可移動探針構成空氣同軸測量線；空氣同軸測量線的一端設有行程為IOOmm的可調節短路器，可調節短路器上設有輸入耦合環；空氣同軸測量線另一端端部設有金屬短路板，同軸線內導體與金屬短路板之間設有間隔，在間隔內充滿圓柱介質樣品，圓柱介質樣品、金屬短路板與同軸線外導體構成介質圓波導；輸入耦合環與微波輸入信號相接，從可移動探針探測到諧振時的輸出駐波信號振幅，得到電壓駐波比，與輸出駐波信號相位有關的長度由可調節短路器的刻度讀出。所述的同軸線外導體內徑與同軸線內導體外徑之比為2. 3 3. 5。所述同軸線外導體上的軸向縫隙長度為200mm、寬度為1mm、離圓柱介質樣品表面的距離為10mm。所述的圓柱介質樣品的厚度為I 12mm。
IGHz 8GHz的同軸線_介質圓波導諧振腔的介電參數測試方法是利用最低次波模諧振，使同軸線中僅有TEM導行波和TM01消逝波，介質中只存在TMtll消逝波或導行波； 用測量第一個波節到樣品表面的距離和電壓駐波比，求值材料在TMtll模下的L和tan S， 方法的具體步驟如下(I)測量諧振下的第一個波節到樣品表面的距離Itl 在給定頻率 ' 下，放入介質樣品，調節短路器達到腔體諧振，記下同軸線-介質圓波導狀態時可調節短路器的讀數Li,用金屬短路板取代樣品，再次調節短路器，使在相同頻率下重新諧振，記下同軸線-短路板狀態時可調節短路器讀數U，得出第一個波節到樣品表面的距離為I0 = c/ (2vr) - (L0-Li) (I)這里，c是空氣中的光速，(2)測量諧振下的電壓駐波比s 用接到輸出探針的傳感器-微波功率計，移動測量線上的可移動探針，測定同軸線-介質圓波導狀態時在上述諧振頻率 ' 下駐波峰值和谷值的功率計讀數Pimax和Pimin,有Si = (Pifflin/Pifflax)1/2 (2)用金屬短路板取代圓柱介質樣品，調節短路器，使在相同頻率下重新諧振，再次移動測量線上的可移動探針，測定同軸線-短路板狀態下的駐波峰值和谷值的功率計讀數 Pomax 和 Ptlmin,有S0 = (P Omin/P Omax)⑶得由介質樣品引起的電壓駐波比為 s = Si-S0 2vrl0/c (4)(3)計算材料的復介電常數< :用測得的諧振-駐波參數Itl和S，按式
權利要求
1.一種IGHz 8GHz頻段用于電介質測量的同軸線-介質圓波導諧振腔的測量裝置， 其特征在于包括同軸線外導體(I)、同軸線內導體(2)、可移動探針(3)、可調節短路器(4)、 輸入耦合環(5)、圓柱介質樣品￠)、金屬短路板(7)、微波輸入信號(8)和輸出駐波信號(9);同軸線外導體⑴和同軸線內導體⑵為同軸結構、同軸線外導體⑴上設有軸向縫隙，在軸向縫隙上設有可移動探針(3)構成空氣同軸測量線；空氣同軸測量線的一端設有行程為IOOmm的可調節短路器(4)，可調節短路器(4)上設有輸入耦合環(5);空氣同軸測量線另一端端部設有金屬短路板(7)，同軸線內導體(2)與金屬短路板(7)之間設有間隔， 在間隔內充滿圓柱介質樣品(6)，圓柱介質樣品(6)、金屬短路板(7)與同軸線外導體⑴ 構成介質圓波導；輸入耦合環(5)與微波輸入信號(8)相接，從可移動探針(3)探測到諧振時的輸出駐波信號(9)振幅，得到電壓駐波比，與輸出駐波信號(9)相位有關的長度由可調節短路器(4)的刻度讀出。
2.根據權利要求I所述的一種用于IGHz 8GHz頻段電介質測量的同軸線-介質圓波導諧振腔的測量裝置，其特征在于所述的同軸線外導體(I)內徑與同軸線內導體(2)外徑之比為2. 3 3. 5。
3.根據權利要求I所述的一種用于IGHz 8GHz頻段電介質測量的同軸線-介質圓波導諧振腔的測量裝置，其特征在于所述同軸線外導體(I)上的軸向縫隙長度為200_、寬度為1mm、離圓柱介質樣品(6)表面的距離為10mm。
4.根據權利要求I所述的一種用于IGHz 8GHz頻段電介質測量的同軸線-介質圓波導諧振腔的測量裝置，其特征在于所述的圓柱介質樣品￠)的厚度為I 12mm。
5.—種使用如權利要求I所述裝置的IGHz 8GHz的同軸線-介質圓波導諧振腔的介電參數測試方法，其特征是利用最低次波模諧振，使同軸線中僅有TEM導行波和TMtll消逝波，介質中只存在TMtll消逝波或導行波；用測量第一個波節到樣品表面的距離和電壓駐波比，求值材料在TMtll模下的L和tan S，方法的具體步驟如下(1)測量諧振下的第一個波節到樣品表面的距離Itl在給定頻率\下，放入介質樣品￠)，調節短路器(4)達到腔體諧振，記下同軸線-介質圓波導狀態時可調節短路器(4)的讀數Li,用金屬短路板(7)取代樣品￠)，再次調節短路器(4)，使在相同頻率下重新諧振，記下同軸線-短路板狀態時可調節短路器⑷讀數Lci, 得出第一個波節到樣品表面的距離為I0 = c/ (2vr) - (L0-Li) (I)這里，c是空氣中的光速，(2)測量諧振下的電壓駐波比s用接到輸出探針的傳感器-微波功率計，移動測量線上的可移動探針(3)，測定同軸線-介質圓波導狀態時在上述諧振頻率 ' 下駐波峰值和谷值的功率計讀數Pimax和Pimin,有Si = (Pimin/Pimax) ^⑵用金屬短路板(7)取代圓柱介質樣品￠)，調節短路器(4)，使在相同頻率下重新諧振， 再次移動測量線上的可移動探針(3)，測定同軸線-短路板狀態下的駐波峰值和谷值的功率計讀數Ptlmax和Pttain，有sO = (POmin/POmax)⑶得由介質樣品引起的電壓駐波比為s = Si-S0 2vrl0/c (4)(3)計算材料的復介電常數七:用測得的諧振-駐波參數Itl和S，按式
全文摘要
本發明公開了一種用于1GHz～8GHz電介質測量的同軸線-介質圓波導諧振腔及測試方法。由外導體、內導體和軸向可移動探針構成空氣同軸測量線的一端設有行程為100mm的可調節短路器,可調節短路器上設有輸入耦合環；同軸測量線另一端內導體與金屬短路板的間隔處設有圓柱介質樣品,它與同軸線外導體構成介質圓波導。利用同軸線中的TEM波和樣品中的TM01波組合諧振,求取材料的復介電常數。本發明克服了在同軸線中制備和插入緊密配合的圓環狀樣品的困難,而且實現了樣品中電磁場分布與樣品尺寸及工作頻率無關,以及樣品徑向尺寸與金屬壁的配合誤差不再是引起測量不確定性的主要因素。可以測量相對介電常數1～100(或更高)的介質材料。
文檔編號H01P7/00GK102608431SQ20121006397
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者倪爾瑚, 倪郁青, 朱永花 申請人:浙江大學