專利名稱：一種介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微波測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及終端短路法介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測量方法及系統(tǒng)，尤其是用于介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著高溫介質(zhì)材料在航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，對其微波性能的要求也越來越高。復(fù)介電常數(shù)及其溫度特性是衡量高溫介質(zhì)材料微波性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。因此，在研究和應(yīng)用高溫介質(zhì)材料時，均需要在高溫環(huán)境下對材料復(fù)介電常數(shù)的溫度特性進(jìn)行測試。終端短路法是測量介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)一種常用方法。其測量原理是將被測材料填充于終端短路的傳輸線，通過測量該傳輸線的復(fù)反射系數(shù)，可計算得到被測材料的復(fù)介電常數(shù)。該方法只需測量單端口反射系數(shù)，且具有結(jié)構(gòu)簡單、測試頻帶寬、體積小等優(yōu)點(diǎn)，比較適合高溫測量。終端短路法的測試原理如圖I所示。根據(jù)阻抗原理，可以得到tanh^)= 1ta^0I(I)
7-d j-P0-Ciy p-j- tan(^;) J其中，Y為填充有被測介質(zhì)樣品波導(dǎo)段的傳輸系數(shù)，d為被測介質(zhì)樣品厚度。
I+ I^11I,、P =(2)^ =^uzl^±Ih^ + 2./ 0.(Z-^)(3)
/ \ 2pI- ^(4)
\ Il UJA c = 2 a (5)
Q(6)
/oy = a + j 3 (7)a為衰減常數(shù)，&為相位常數(shù)，L為波導(dǎo)長度，a為波導(dǎo)長邊寬度，S11為復(fù)反射系數(shù)，e sll為S11的角度。由式(I)求得填充有被測材料波導(dǎo)段的傳輸系數(shù)Y后，再利用傳輸線方程，即可求得被測材料的復(fù)介電常數(shù)。
/X 2^ = A_. +p2-a2(8)
2.7T、義 c J
tan--(9)
_4] 問 W
14 J 式中，e' r為介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)，tan S E為損耗角正切。[0016]由公式(I) (9)可知，當(dāng)已知填充有被測材料的傳輸線的復(fù)反射系數(shù)后，可計算得到材料的復(fù)介電常數(shù)。因此有e ' r = f (L, a, f0, S11, d)(10)2002年，美國制定了 ASTM標(biāo)準(zhǔn)“D2520-01”。在該標(biāo)準(zhǔn)中，采用矩形波導(dǎo)傳輸線，用終端短路法進(jìn)行材料介電性能的變溫測量，測量的最高溫度是1650°C，傳輸線采用的材料是鉬銠合金；當(dāng)測試溫度較低時，可以采用可滿足溫度測量的其他材料。電子科技大學(xué)在其專利申請“一種基于終端短路法的高溫復(fù)介電常數(shù)測量方法”(申請?zhí)?00910059213. 0)中采用的測試波導(dǎo)為高溫矩形測試波導(dǎo)，由散熱波導(dǎo)、隔熱波導(dǎo)、高溫波導(dǎo)和短路板組成。共有兩路，一路加載樣品，一路用于誤差修正。測試時，被測介質(zhì)樣品緊貼短路板放置于其中一路高溫波導(dǎo)內(nèi)，測量出波導(dǎo)加載被測介質(zhì)樣品時的反射系數(shù)，并利用另一路空載波導(dǎo)的反射系數(shù)進(jìn)行修正，然后計算出被測戒子材料的復(fù)介電常數(shù)。 由于某些介質(zhì)材料在高溫下會融化，甚至與短路板和高溫波導(dǎo)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而污染短路板和高溫波導(dǎo)。發(fā)生這種情況后短路板和高溫波導(dǎo)無法重復(fù)使用。通常的做法是徹底更換短路板和高溫波導(dǎo)，由于短路板和高溫波導(dǎo)材料及加工成本很高，徹底更換短路板和高溫波導(dǎo)會造成測試成本過高且操作不方便；此外，在高溫條件下，波導(dǎo)由于受熱不均勻，會發(fā)生形變，即使能夠?qū)Χ搪钒搴透邷夭▽?dǎo)進(jìn)行清洗也不能保證短路面與波導(dǎo)始終有良好的電接觸，從而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置中存在的上述缺陷，提供一種新的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置。該測量裝置對現(xiàn)有的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置中由短路板和高溫波導(dǎo)構(gòu)成的樣品測試夾具(承載結(jié)構(gòu))進(jìn)行改進(jìn)，在高溫波導(dǎo)后端增加一個由高溫波導(dǎo)和短路法蘭構(gòu)成的扼流法蘭結(jié)構(gòu)，并采用短路法蘭盤來承載被測介質(zhì)樣品。采用本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，在測量過程中具有操作方便、使用和維護(hù)成本低的特點(diǎn)；同時本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置由于采用了扼流法蘭結(jié)構(gòu)，能夠保證終端短路面與波導(dǎo)之間良好的電接觸，從而能夠保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本實(shí)用新型技術(shù)方案如下一種介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，如圖2所示，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矩形波導(dǎo)諧振腔，所述矩形波導(dǎo)諧振腔通過波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換接頭和同軸線與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連；所述矩形波導(dǎo)諧振腔由相同尺寸的散熱波導(dǎo)、隔熱波導(dǎo)和高溫波導(dǎo)以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導(dǎo)諧振腔壁做金屬化處理。所述短路法蘭盤采用耐高溫導(dǎo)電材料制作，其面向矩形諧振腔內(nèi)部的一側(cè)具有矩形截面凹槽結(jié)構(gòu)，用以承載被測介質(zhì)樣品；所述凹槽結(jié)構(gòu)的矩形截面尺寸與矩形波導(dǎo)諧振腔的截面尺寸一致。所述高溫波導(dǎo)與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結(jié)構(gòu)。上述介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置還可包括一個高溫爐，所述高溫爐用以對置于爐內(nèi)的矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫段，即高溫波導(dǎo)和短路法蘭盤進(jìn)行加熱以實(shí)現(xiàn)高溫測量。[0025]由于通常采用終端短路法測量介質(zhì)材料高溫介電性能(復(fù)介電常數(shù))時，需要測量矩形波導(dǎo)諧振腔在高溫下的空載和有載反射系數(shù)，因此本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置可以包括兩個完全相同的矩形波導(dǎo)諧振腔，兩個矩形波導(dǎo)諧振腔分別通過波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換接頭和同軸線與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不同的通道相連，使得在高溫測量時，將兩個矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫段，即兩個矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫波導(dǎo)和短路法蘭盤同時置于高溫爐中，其中一個矩形波導(dǎo)諧振腔有載(即矩形波導(dǎo)諧振腔的短路法蘭盤承載被測介質(zhì)樣品)，而另一個矩形波導(dǎo)諧振腔空載，這樣可同時測量矩形波導(dǎo)諧振腔在高溫下的空載和有載反射系數(shù)，從而可大大提高測量效率。需要說明的是一、制作法蘭的材料為耐高溫導(dǎo)電材料，如鑰、鎢、鉭、石墨等，具體實(shí)施可根據(jù)測試溫度，被測材料特性及加工成本決定。鎢材料硬度高，加工難度大，鑰材料只能用于13000C以下溫度環(huán)境中測試。二、本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置中，所述扼流式法蘭結(jié)構(gòu)中徑向傳輸線A的長度LI和同軸波導(dǎo)段B的長度L2應(yīng)為1/4波導(dǎo)波長。而徑向傳輸線A的寬度(即扼流式法蘭縫隙寬度)d應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)法蘭接頭的縫隙寬度，考慮到材料在高溫下的熱膨脹效應(yīng)，也可以將扼流式法蘭縫隙寬度d設(shè)計成略大于標(biāo)準(zhǔn)法蘭接頭的縫隙寬度，以保證高溫下法蘭縫隙與矩形波導(dǎo)諧振腔腔壁的交界面為一等效短路面。由于法蘭縫隙與矩形波導(dǎo)諧振腔腔壁的交界面為一等效短路面，使得即使在短路法蘭盤使用老化發(fā)生一定的變形而無法與高溫波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械接觸的情況下依然能夠保證終端短路板(短路法蘭)與矩形波導(dǎo)之間良好的電接觸，從而能夠長期保證測量精度，避免了現(xiàn)有的基于終端短路法介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量系統(tǒng)中由于短路板與波導(dǎo)接觸不良而引起的測量誤差。三、測試時，將被測介質(zhì)材料樣品放入短路法蘭盤的矩形凹槽中，被測材料橫向尺寸與短路法蘭盤的矩形凹槽截面相適應(yīng)，并與短路法蘭盤的短路面緊密接觸；再將短路法蘭盤與高溫波導(dǎo)對準(zhǔn)，通過定位銷釘與螺釘連接；然后加高溫進(jìn)行測試。短路法蘭盤可統(tǒng)一制作多套，以降低制作成本。即使出現(xiàn)受被測介質(zhì)樣品污染或老化變形的情況，也只需更換短路法蘭盤即可，波導(dǎo)并不會受到污染和損傷，可重復(fù)使用，因此本實(shí)用新型所提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置具有較低的使用和維護(hù)成本。綜上所述，本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置具有操作方便、使用和維護(hù)成本低的特點(diǎn)；同時本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置由于采用了扼流法蘭結(jié)構(gòu)，能夠保證終端短路面與波導(dǎo)之間良好的電接觸，從而能夠保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖I為傳統(tǒng)終端短路法測量介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置中，扼流式法蘭結(jié)構(gòu)連接處的截面示意圖。圖4為本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置另一結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一一種介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，如圖2所示，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矩形波導(dǎo)諧振腔，所述矩形波導(dǎo)諧振腔通過波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換接頭和同軸線與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連；所述矩形波導(dǎo)諧振腔由相同尺寸的散熱波導(dǎo)、隔熱波導(dǎo)和高溫波導(dǎo)以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導(dǎo)諧振腔壁做金屬化處理。所述短路法蘭盤采用耐高溫導(dǎo)電材料制作，其面向矩形諧振腔內(nèi)部的一側(cè)具有矩形截面凹槽結(jié)構(gòu)，用以承載被測介質(zhì)樣品；所述凹槽結(jié)構(gòu)的矩形截面尺寸與矩形波導(dǎo)諧振腔的截面尺寸一致。所述高溫波導(dǎo)與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結(jié)構(gòu)。上述介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置還可包括一個高溫爐，所述高溫爐用以對置于爐內(nèi)的矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫段，即高溫波導(dǎo)和短路法蘭盤進(jìn)行加熱以實(shí)現(xiàn)高溫測量。使用時，首先確定測量裝置中所述矩形波導(dǎo)諧振腔在常溫下的微波反射系數(shù)，再測量所述矩形波導(dǎo)諧振腔在高溫下有載和無載的微波反射系數(shù)，并結(jié)合各種已知條件(包括尺寸、測試頻率、材料熱膨脹特性等)，采用終端短路法即可計算出被測介質(zhì)樣品的高溫復(fù)介電常數(shù)。
具體實(shí)施方式
二由于通常采用終端短路法測量介質(zhì)材料高溫介電性能(復(fù)介電常數(shù))時，需要測量矩形波導(dǎo)諧振腔在高溫下的空載和有載反射系數(shù)，因此本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置可以包括兩個完全相同的矩形波導(dǎo)諧振腔，兩個矩形波導(dǎo)諧振腔分別通過波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換接頭和同軸線與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不同的通道相連。兩個巨型波導(dǎo)諧振腔的材料和尺寸完全相同，均由相同尺寸的散熱波導(dǎo)、隔熱波導(dǎo)和高溫波導(dǎo)以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導(dǎo)諧振腔壁做金屬化處理；所述短路法蘭盤采用耐高溫 導(dǎo)電材料制作，其面向矩形諧振腔內(nèi)部的一側(cè)具有矩形截面凹槽結(jié)構(gòu)，用以承載被測介質(zhì)樣品；所述凹槽結(jié)構(gòu)的矩形截面尺寸與矩形波導(dǎo)諧振腔的截面尺寸一致；所述高溫波導(dǎo)與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結(jié)構(gòu)。高溫測量時，將兩個矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫段，即兩個矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫波導(dǎo)和短路法蘭盤同時置于高溫爐中，其中一個矩形波導(dǎo)諧振腔有載(即矩形波導(dǎo)諧振腔的短路法蘭盤承載被測介質(zhì)樣品)，而另一個矩形波導(dǎo)諧振腔空載，這樣可同時測量矩形波導(dǎo)諧振腔在高溫下的空載和有載反射系數(shù)，從而可大大提高測量效率。采用本實(shí)用新型提供的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置對介質(zhì)材料進(jìn)行高溫復(fù)介電常數(shù)測量時，基本步驟和計算過程與常規(guī)測量介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)的終端短路法并無二致，在此不再贅述。應(yīng)當(dāng)說明的是，本實(shí)用新型采用的是矩形波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)，對于圓波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)及其他類型的傳輸線，本實(shí)用新型的設(shè)計思想仍然適用。
權(quán)利要求1.一種介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矩形波導(dǎo)諧振腔，所述矩形波導(dǎo)諧振腔通過波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換接頭和同軸線與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連；其特征在于，所述矩形波導(dǎo)諧振腔由相同尺寸的散熱波導(dǎo)、隔熱波導(dǎo)和高溫波導(dǎo)以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，矩形波導(dǎo)諧振腔壁做金屬化處理；所述短路法蘭盤采用耐高溫導(dǎo)電材料制作，其面向矩形諧振腔內(nèi)部的一側(cè)具有矩形截面凹槽結(jié)構(gòu)，用以承載被測介質(zhì)樣品；所述凹槽結(jié)構(gòu)的矩形截面尺寸與矩形波導(dǎo)諧振腔的截面尺寸一致；所述高溫波導(dǎo)與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述扼流式法蘭結(jié)構(gòu)中徑向傳輸線(A)的長度LI和同軸波導(dǎo)段(B)的長度L2為1/4波導(dǎo)波長；而徑向傳輸線A的寬度、即扼流式法蘭縫隙寬度d為標(biāo)準(zhǔn)法蘭接頭的縫隙寬度或略大于標(biāo)準(zhǔn)法蘭接頭的縫隙寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置還包括一個高溫爐；所述高溫爐用以對置于爐內(nèi)的矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫段，即高溫波導(dǎo)和短路法蘭盤進(jìn)行加熱以實(shí)現(xiàn)高溫測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置還包括另外一個完全相同的矩形波導(dǎo)諧振腔，所述另外一個矩形波導(dǎo)諧振腔同樣通過波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換接頭和同軸線與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的另一通路相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置還包括一個高溫爐；所述高溫爐用以對置于爐內(nèi)的兩個矩形波導(dǎo)諧振腔的高溫段，即高溫波導(dǎo)和短路法蘭盤進(jìn)行加熱以實(shí)現(xiàn)高溫測量。
專利摘要一種介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置，屬于微波測試技術(shù)領(lǐng)域。包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矩形波導(dǎo)諧振腔，所述矩形波導(dǎo)諧振腔由散熱波導(dǎo)、隔熱波導(dǎo)和高溫波導(dǎo)以及一塊短路法蘭盤順序連接而成，所述短路法蘭盤其面向矩形諧振腔內(nèi)部的一側(cè)具有矩形截面凹槽結(jié)構(gòu)，用以承載被測介質(zhì)樣品，所述高溫波導(dǎo)與短路法蘭盤的連接處形成扼流式法蘭結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型將現(xiàn)有介質(zhì)材料高溫復(fù)介電常數(shù)測量裝置的高溫波導(dǎo)和金屬短路板相接觸的結(jié)構(gòu)改造成高溫波導(dǎo)與短路法蘭盤相接的扼流式法蘭結(jié)構(gòu)，具有操作方便、使用和維護(hù)成本低的特點(diǎn)；同時能夠保證終端短路面與波導(dǎo)之間良好的電接觸，從而能夠保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
文檔編號G01R27/26GK202383208SQ20112043122
公開日2012年8月15日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者周楊, 李恩, 王益, 聶瑞星, 郭高鳳, 陶冰潔, 高源慈 申請人:電子科技大學(xué)