一種高損耗液體及粉末材料微波復(fù)介電常數(shù)測(cè)試新方法
【專(zhuān)利摘要】一種高損耗液體及粉末材料微波復(fù)介電常數(shù)測(cè)試新方法，屬于微波、毫米波材料電磁參數(shù)測(cè)試領(lǐng)域，涉及同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)。該方法通過(guò)置酒杯家具于其上的同軸開(kāi)放式諧振腔加載微波被測(cè)材料前后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，以及加載樣品的厚度來(lái)計(jì)算待測(cè)樣品的復(fù)介電常數(shù)。該方法組建的測(cè)試系統(tǒng)包括同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)、探針、SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器、電纜、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和酒杯家具六部分。將六部分連接成系統(tǒng)，通過(guò)耦合量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)探針深入腔體的長(zhǎng)度，使得系統(tǒng)在諧振頻點(diǎn)處的品質(zhì)因數(shù)最大，并記錄系統(tǒng)此時(shí)的諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q0。將待測(cè)材料放入酒杯家具中，保證樣品上表面的平整度，測(cè)量樣品厚度d并記錄加載樣品后系統(tǒng)的諧振頻率f1和品質(zhì)因數(shù)Q1。由上述參數(shù)計(jì)算待測(cè)材料的復(fù)介電常數(shù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高損耗液體及粉末材料微波復(fù)介電常數(shù)測(cè)試新方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波、毫米波材料電磁參數(shù)測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來(lái)說(shuō)是一種由同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)和聚四氟乙烯酒杯家具組成的關(guān)于高損耗液體及粉末材料的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]微波材料作為電磁波傳輸媒質(zhì)已廣泛的應(yīng)用于微波的各個(gè)領(lǐng)域，比如微波電路、通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、電子對(duì)抗、雷達(dá)隱身、遙感和遙測(cè)等。介質(zhì)材料電磁參數(shù)一般是指復(fù)介電常數(shù)和復(fù)導(dǎo)磁率，通常以復(fù)數(shù)形式ε (jco) = ε 'ε " (j?), μ (j?)=μ，(jco)-jy " (j?)表示，它是描述材料和電磁場(chǎng)相互作用最基本的兩個(gè)特征參數(shù)。準(zhǔn)確了解電磁參數(shù)值，對(duì)于微波能的應(yīng)用和微波非電量測(cè)量更是必不可少的。
[0003]礦產(chǎn)資源作為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且碳質(zhì)燃料是當(dāng)代冶金行業(yè)的主要能源。電介質(zhì)受微波輻射所產(chǎn)生的熱量吸收功率P = 2π?Ε2ε "，其中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，f為工作頻率，從該式可以看出冶金介質(zhì)材料的微波吸收功率和其介電常數(shù)有著密切關(guān)系，因此對(duì)冶金介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量具有重要的工業(yè)意義和節(jié)能環(huán)保價(jià)值。
[0004]生物材料是以和生命系統(tǒng)結(jié)合，以診斷、治療或替換機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。研究生物材料涉及的學(xué)科領(lǐng)域很多，如材料、生物、醫(yī)學(xué)、物理、生物化學(xué)及一些現(xiàn)代高技術(shù)等，相應(yīng)的研究包括物理、化學(xué)及一些工程的研究方法。對(duì)生物材料的電磁特性研究在整個(gè)材料的成形到臨床應(yīng)用過(guò)程中有著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)生物材料的復(fù)介電常數(shù)的精確測(cè)量具有重要的社會(huì)意義和醫(yī)學(xué)價(jià)值。
[0005]材料的電磁參數(shù)測(cè)試技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套比較完整的科學(xué)體系。目前，在微波與毫米波段，材料的電磁參數(shù)測(cè)試方法按測(cè)量原理可分為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法、諧振腔法兩大類(lèi)。本發(fā)明采用的是諧振腔法。諧振腔法是將材料樣品放入諧振腔中，根據(jù)放入樣品前后其諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的變化確定樣品復(fù)介電常數(shù)的一種微波測(cè)試方法。
[0006]目前，這些方法都各自存在一些問(wèn)題，比如網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法中的自由空間法校準(zhǔn)步驟繁瑣，并且校準(zhǔn)精度要求高，傳輸反射法制作樣品不方便，測(cè)試精度不高；諧振腔法中的介質(zhì)諧振器法和微擾法只適合中低損耗微波材料的測(cè)試。應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，日本發(fā)明的開(kāi)放式同軸諧振腔測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，樣品制作簡(jiǎn)易，并且測(cè)試精度高，備受專(zhuān)業(yè)人士青睞。但是當(dāng)待測(cè)材料的損耗比較大時(shí)腔體的諧振峰會(huì)被淹沒(méi)，測(cè)試隨之終止。本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)是在同軸諧振腔上加低損耗材料層，體現(xiàn)在系統(tǒng)中就是聚四氟乙烯酒杯家具，減小了被測(cè)高損耗材料對(duì)電場(chǎng)的擾動(dòng)，此時(shí)諧振系統(tǒng)仍能起振，測(cè)試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)試高損耗微波材料復(fù)介電常數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明采用同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)作為諧振腔,放置聚四氟乙烯酒杯家具于其上，構(gòu)成系統(tǒng)來(lái)對(duì)介質(zhì)材料進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)試，這種測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了微波材料復(fù)介電常數(shù)的高精度測(cè)試，無(wú)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行繁瑣的精密校準(zhǔn)，降低了測(cè)試時(shí)間，并且降低了測(cè)試對(duì)樣品制作的要求。該測(cè)試系統(tǒng)不僅適用于低損耗微波材料的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試，同樣的適用于高損耗微波材料，特別適用于粉末及液體材料的測(cè)試。并且，當(dāng)酒杯家具換為平板密封同軸腔后，系統(tǒng)適合粉末及液體樣品的在線(xiàn)測(cè)試，如污水監(jiān)控等。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]測(cè)試裝置包括同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I)、SMA到其他同軸(如N型、SMA或APC-7等)連接器的轉(zhuǎn)換器(2)、電纜(3)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀⑷、酒杯家具(5)和探針(9)，如圖1所示。其中，探針(9)，采用的是帶有SMA接頭的同軸探針，利用環(huán)耦合，實(shí)現(xiàn)能量的饋入和輸出，耦合量調(diào)節(jié)器(10)其詳細(xì)示意圖如圖3所示，通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)耦合環(huán)深入到腔體中的長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)探針(9)的耦合量，酒杯家具(5)，由聚四氟乙烯制成用于盛放待測(cè)樣品，厚度根據(jù)被測(cè)材料的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，內(nèi)直徑為開(kāi)路處同軸外導(dǎo)體內(nèi)徑的4倍以上。同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I),如圖2所示，其中內(nèi)導(dǎo)體(8)為圓柱形漸變結(jié)構(gòu)，外導(dǎo)體由外導(dǎo)體下部(7)和外導(dǎo)體上部(6)兩部分構(gòu)成，也是圓柱形漸變結(jié)構(gòu)，外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體的尺寸必須滿(mǎn)足同軸線(xiàn)各處的特性阻抗相同，底部(11)，其中間開(kāi)孔型槽，可以將內(nèi)導(dǎo)體固定在底部上，底座(12)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)諧振腔的固定。SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器(2)，實(shí)現(xiàn)了 SMA接頭到其他同軸連接器也就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配套電纜(3)的接頭的轉(zhuǎn)換。
[0010]該微波測(cè)試系統(tǒng)的具體工作過(guò)程是:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(4)通過(guò)電纜(3)、SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器(2)、探針(9)與同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)
(I)進(jìn)行連接，將酒杯家具(5)放置在開(kāi)放式諧振腔上，盡量使得酒杯家具和諧振腔內(nèi)導(dǎo)體
(8)同軸；然后通過(guò)耦合量調(diào)節(jié)器(10)調(diào)節(jié)探針(9)深入腔體的長(zhǎng)度，使得整個(gè)系統(tǒng)在諧振頻點(diǎn)處的品質(zhì)因數(shù)最大，并記錄此時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；而后將待測(cè)測(cè)材料樣品嵌入酒杯家具(12)中，需保證樣品放入酒杯家具中后的上表面平整度，測(cè)量待測(cè)樣品厚度；最后測(cè)試系統(tǒng)的有載諧振頻點(diǎn)和品質(zhì)因數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出待測(cè)樣品的復(fù)介電常數(shù)。
[0011]有益效果:
[0012]—、本系統(tǒng)采用同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)加載介質(zhì)材料的方式，利用耦合量調(diào)節(jié)器控制了系統(tǒng)中能量的饋入量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腔體品質(zhì)因數(shù)的有效控制。
[0013]二、將酒杯家具放置在開(kāi)放式諧振腔上，系統(tǒng)可以對(duì)高損耗的介質(zhì)材料測(cè)試，解決了諧振腔不適于測(cè)試高損耗材料的問(wèn)題。
[0014]三、本系統(tǒng)能夠在寬頻帶范圍內(nèi)的多個(gè)離散頻點(diǎn)上得到滿(mǎn)意的特性，性能良好，具有穩(wěn)定性。
[0015]四、對(duì)樣品的要求低，系統(tǒng)特別適合粉末及液體樣品的測(cè)試。
[0016]五、當(dāng)酒杯家具換為平板密封同軸腔后，系統(tǒng)適合粉末及液體樣品的在線(xiàn)測(cè)試，如污水監(jiān)控等。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]其中，I是同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator), 2是SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器，3是電纜，4是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，5是酒杯家具，9是探針。
[0019]圖2是同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)的剖面示意圖。
[0020]圖3是耦合量調(diào)節(jié)器的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]將酒杯家具(5)放置在同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I)上,而后將探針插入到腔體內(nèi)，并使其與SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器(2)、電纜(3)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(4)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的鏈接。
[0022]利用同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator)測(cè)試微波材料電磁參數(shù)的具體步驟是:
[0023]步驟1:選定測(cè)試頻率范圍，通過(guò)耦合量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)探針深入腔體的長(zhǎng)度，使得系統(tǒng)在諧振頻點(diǎn)處的品質(zhì)因數(shù)最大，記錄加載任何樣品的系統(tǒng)在測(cè)試范圍內(nèi)系統(tǒng)的諧振頻率f0和相應(yīng)頻點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)Q。；
[0024]步驟2:將適量的待測(cè)材料放入酒杯家具中，厚度為d，測(cè)試得到加載樣品后系統(tǒng)在測(cè)試范圍內(nèi)的諧振頻率和相應(yīng)的有載品質(zhì)因數(shù)Q1 ；
[0025]步驟3:利用諧振腔的微擾理論或者諧振腔內(nèi)場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布特性，計(jì)算得到待測(cè)材料的復(fù)介電常數(shù)。
[0026]本發(fā)明的同軸開(kāi)放式諧振腔測(cè)試方法具有操作簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短，精度高，并且對(duì)樣品制作的要求比較低，不僅適用于低損耗微波材料的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試，同樣的適用于高損耗微波材料，特別適用于粉末及液體材料的測(cè)試，并且當(dāng)酒杯家具換為平板密封同軸腔后，系統(tǒng)適合粉末及液體樣品的在線(xiàn)測(cè)試，如污水監(jiān)控等。該發(fā)明具有很強(qiáng)的實(shí)用性和較高的競(jìng)爭(zhēng)力，并且對(duì)污水監(jiān)控的在線(xiàn)測(cè)試提出了新的測(cè)試方案。
[0027]以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程人員提供的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方案的描述，這些描述應(yīng)被視為是說(shuō)明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書(shū)中的思想做具體的操作實(shí)施。自然也可以據(jù)以上所述對(duì)實(shí)施方案做一系列的變更。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
[0028]本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種高損耗液體及粉末材料微波復(fù)介電常數(shù)測(cè)試新方法，包括同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I)、SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器(2)、電纜(3)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(4)、酒杯家具(5)和探針(9)六部分；所述同軸開(kāi)放式諧振腔(Open CoaxialResonator) (I)由內(nèi)導(dǎo)體(8)、外導(dǎo)體、底部(11)和底座(12)構(gòu)成，其中外導(dǎo)體包括外導(dǎo)體下部(7)和外導(dǎo)體上部(6)兩部分，底部中間開(kāi)孔型槽可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體的固定，底座實(shí)現(xiàn)了整個(gè)諧振腔的固定；所述外導(dǎo)體下部(7)、外導(dǎo)體上部(6)、底部(11)和底座(12)，由銀或黃銅制作，內(nèi)導(dǎo)體(8)由銀制作，并且外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體的尺寸必須保證同軸線(xiàn)各處的特性阻抗相同；所述探針(9)采用的是帶有SMA接頭的同軸探針，將其末端制作成環(huán)狀，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的環(huán)耦合；所述耦合量調(diào)節(jié)器(10)，由黃酮制作，通過(guò)調(diào)節(jié)耦合環(huán)深入到腔體中的長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)探針(9)的耦合量；所述酒杯家具(5)由聚四氟乙烯構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品的盛放，其厚度根據(jù)被測(cè)材料的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，內(nèi)直徑為開(kāi)路處同軸外導(dǎo)體內(nèi)徑的4倍以上；SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器(2)，實(shí)現(xiàn)了 SMA接頭到其他同軸連接器也就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配套電纜(3)的接頭的轉(zhuǎn)換；SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器經(jīng)電纜和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于材料復(fù)介電常數(shù)測(cè)試的系統(tǒng)，其特征在于，所述置酒杯家具(5)與其上的同軸開(kāi)放式諧振腔(Open Coaxial Resonator) (I),通過(guò)探針(9)、SMA到其他同軸連接器的轉(zhuǎn)換器(2)、電纜(3)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(5)進(jìn)行連接，用于被測(cè)材料復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微波材料復(fù)介電常數(shù)的同軸開(kāi)放式諧振腔測(cè)試方法，其特征在于，所述方法可以高損耗微波材料的復(fù)介電常數(shù)的高精度測(cè)試，在寬頻帶范圍內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)頻上測(cè)試，特別適用于粉末及液體材料的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試，并且對(duì)樣品制作的要求低；當(dāng)酒杯家具換為平板密封同軸腔后，該測(cè)試系統(tǒng)同樣適合于粉末及液體樣品的在線(xiàn)測(cè)試，如污水監(jiān)控等。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK104237648SQ201310250507
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月24日
【發(fā)明者】李恩, 韓利存, 郭高鳳, 高源慈, 鄭虎, 陶冰潔 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)