低損耗材料介電特性的高精度寬帶測試方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了低損耗材料介電特性的一種高精度寬帶測試方法，適用于一分體式圓柱諧振腔，該分體式圓柱諧振腔的兩個法蘭盤構成徑向波導，將被測材料夾在兩個半腔體之間進行測試，測試模式為：TE011、TE111、TE211、TE311、TE411、TE511、TE611、TE711、TE811、TE911；利用測試模式諧振頻率與介電常數的約束關系，基于遞推方法實現各個測試模式的識別，并計算出各測試模式諧振頻率處被測材料的介電常數。同時，利用各測試模式的品質因數與材料損耗的關系，計算出各測試模式諧振頻率處的材料損耗。由此，測得材料在多個頻點的介電特性。
【專利說明】低損耗材料介電特性的高精度寬帶測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及測試【技術領域】，特別涉及低損耗材料介電特性的一種高精度寬帶測試方法。
【背景技術】
[0002]微波電路、微波部件等的設計、制作都需要事先精確知道所用材料的介電特性，因此材料電磁特性測量技術在微波工程領域中扮演著重要角色。低損耗電介質材料是微波工程領域應用非常廣泛的一類材料，如應用于微帶電路的各類基片、應用于天線罩的介質板材等均屬于低損耗材料。隨著這類材料寬帶應用的不斷增多，它們的寬頻帶介電特性越來越成為微波工程領域的現實需求。
[0003]低損耗材料介電特性測試方法可以分為寬帶方法和窄帶方法兩大類。前者有傳輸線法、終端開路法等，這些方法可以實現材料介電特性的寬頻帶測試，但對于低損耗材料，這類方法測量精度不高，不能滿足工程需求。后者為各種諧振腔方法，如矩形諧振腔法、圓柱諧振腔法，這類方法具有較高的測試精度，但一般只能實現點頻測量，不能滿足寬帶需求。
[0004]諧振腔方法一般采用封閉腔體，對被測樣品的尺寸、形狀要求極為嚴格、苛刻，因為樣品尺寸或形狀的微小偏差可導致較大的測量誤差。因此，諧振腔方法的樣品制備一般非常麻煩和困難。為此，在封閉諧振腔基礎上又發(fā)展出一種開腔式方法，分體式圓柱諧振腔法屬于此類方法，這種方法具有測量精度高、樣品制備簡單方便等優(yōu)點，并可以實現非破壞、在線測量。分體式圓柱諧振腔法的諧振腔由兩個完全相同的半圓柱形腔體組成，如圖1所示，兩個法蘭盤構成徑向波導，測量時，將樣品夾在兩個半腔體之間。目前，分體式圓柱諧振腔法采用TEtlll模式作為測試模式。由于只能采用TEtlll模式進行測試，因此與其它諧振方法類似，也只能實現點頻測量，這是這種方法的主要不足。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題就是低損耗材料介電特性的高精度、寬頻帶測試問題。
[0006]本發(fā)明的技術方案是這樣實現的:
[0007]低損耗材料介電特性的一種高精度寬帶測試方法，適用于一分體式圓柱諧振腔，該分體式圓柱諧振腔的兩個法蘭盤構成徑向波導，將被測材料夾在兩個半腔體之間進行測試，測試模式為: TE0H' TE111 > TE211 > TE311 > TE411 > TE511 > TE611 > TE711 > TE811 > TE911 ；
[0008]利用遞推法實現模式識別，具體包括以下步驟:
[0009]第一個諧振峰為主模，先根據主模的諧振頻率,利用測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系計算出主模的諧振頻率處材料的介電常數；
[0010]接下來，利用計算出的介電常數以及測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系，計算出第二個模式諧振頻率的估計值，在估計值附近找到第二個模式的諧振峰，完成第二個模式的識別；[0011]利用上述方法完成余下測試模式的識別，逐一找到所用測試模式的諧振峰，并利用測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系以及測試模式下的材料損耗與品質因數的關系，逐一計算出被測材料在各諧振頻點的介電常數和損耗正切，測得材料在多個頻點的介電特性；
[0012]利用數值擬合技術對測試結果進行擬合，獲得被測材料在擬合頻帶內任一頻點處的介電特性。
[0013]可選地，擬合處理時，將測試模式的最低諧振頻率作為擬合頻帶的低端，將測試模式的最高諧振頻率作為擬合頻帶的高端。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)既有很高的測量精度，又能實現寬頻帶測量，從而滿足實際工程需求；
[0016](2)單個腔體的頻率覆蓋范圍可達兩個倍頻程，介電常數測量精度在1%以內，損耗正切的測量精度優(yōu)于10_4。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1為分體式圓柱諧振腔的結構示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明低損耗材料介電特性的高精度寬帶測試方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0021]目前，關于低損耗材料介電特性的測試，寬帶測試方法精度較差；諧振腔類方法雖然有較高的測試精度，但一般只能進行點頻測量，如現有分體式圓柱諧振腔技術采用單一模式即TEtlll模式測試低損耗材料介電特性，因此只能測得材料在某個頻點的介電特性，而無法獲得材料的寬頻帶介電特性。
[0022]本發(fā)明的目的是提供一種低損耗材料介電特性的高精度寬帶測量方法，設法利用分體式圓柱諧振腔的多個TE模式測試材料的介電特性，這樣可獲得材料在多個頻點的介電常數；然后，基于數值擬合技術，獲得材料寬頻帶內任意頻點的介電特性。該方法既有很高的測量精度，又能實現寬頻帶測量，從而滿足實際工程需求。
[0023]其中，利用多個TE模式測試材料的介電特性是關鍵。本發(fā)明的方法基于圖1所示分體式圓柱諧振腔，該分體式圓柱諧振腔的兩個法蘭盤構成徑向波導，將被測材料夾在兩個半腔體之間進行測試，選擇的具體測試模式為=TEtll^ TE111, TE211, TE311、TE411, TE511, TE611,TE711、TE811、TE911，共 10 個模式。
[0024] 可以通過設計諧振腔的耦合結構，抑制TM模式的振蕩，只激勵TE模式的振蕩。本發(fā)明利用遞推法實現模式識別，如圖2所示，具體包括以下步驟:主模容易識別，總是為第一個諧振峰，因此先根據主模的諧振頻率，利用測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系計算出被測材料的介電常數；
[0025]接下來，利用計算出的介電常數以及測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系，計算出第二個模式諧振頻率的估計值，材料的介電常數是頻率的函數，但相鄰模式的諧振頻率相差不大，因此介電常數變化不大，所以利用相鄰模式的介電常數測量結果估計出的諧振頻率與實際值比較接近，在估計值附近可找到第二個模式的諧振峰，即完成了第二個模式的識別；
[0026]利用上述方法完成余下測試模式的識別，逐一找到所用測試模式的諧振峰，并利用測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系以及測試模式下的材料損耗與品質因數的關系，逐一計算出被測材料在各諧振頻點的介電常數和損耗正切，測得材料在多個頻點的介電特性；
[0027]利用數值擬合技術對測試結果進行擬合，獲得被測材料在擬合頻帶內任一頻點處的介電特性。擬合處理時，通常將測試模式的最低諧振頻率作為擬合頻帶的低端，將測試模式的最高諧振頻率作為擬合頻帶的高端。
[0028]上述方法中，利用測試模式諧振頻率與介電常數的約束關系，已知測試模式的諧振頻率，可計算出材料的介電常數；或已知材料的介電常數，可計算出測試模式的諧振頻率。而且，利用測試模式下的材料損耗與品質因數的關系，可以計算測試模式下材料損耗。利用遞推法實現模 式識別，測得材料在多個頻點的介電特性。
[0029]上述方法中，波導中的電磁場按照它是否具有電磁場的縱向分量，可以分為不同的模式。其中，TE模式(橫電波)是指電磁場縱向分量只有磁場，即電場的縱向分量為零；TM模式(橫磁波)，是指電磁場縱向分量只有電場，即磁場的縱向分量為零。本發(fā)明所涉及的分體圓柱諧振腔可認為是一段兩端封閉的圓波導。
[0030]對于實際觀測到的一組離散數據往往希望用一連續(xù)函數來描述量y與X間的依賴關系。為此，首先選擇與數據的變化規(guī)律相適應的適當函數型式y(tǒng) = f(x，C1,C2,…(^)。其中，C1, C2,...,&為待定參數。然后基于某種準則(如最小二乘法)，確定出函數中的參數C1, c2，…，cn。上述過程即為數值擬合。
[0031]本發(fā)明的低損耗材料介電特性的高精度寬帶測量方法既有很高的測量精度，又能實現寬頻帶測量，從而滿足實際工程需求；單個腔體的頻率覆蓋范圍可達兩個倍頻程，介電常數測量精度在1%以內，損耗正切的測量精度優(yōu)于10_4。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.低損耗材料介電特性的高精度寬帶測試方法，其特征在于，適用于一分體式圓柱諧振腔，該分體式圓柱諧振腔的兩個法蘭盤構成徑向波導，將被測材料夾在兩個半腔體之間進行測試，測試模式為: TE0H' TE111 > TE211 > TE311 > TE411 > TE511 > TE611 > TE711 > TE811 > TE911 ； 利用遞推法實現模式識別，具體包括以下步驟: 第一個諧振峰為主模，先根據主模的諧振頻率，利用測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系計算出主模諧振頻率處材料的介電常數； 接下來，利用計算出的介電常數以及測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系，計算出第二個模式諧振頻率的估計值，在估計值附近找到第二個模式的諧振峰，完成第二個模式的識別； 利用上述方法完成余下測試模式的識別，逐一找到所用測試模式的諧振峰，并利用測試模式的諧振頻率與介電常數約束關系以及測試模式下的材料損耗與品質因數的關系，逐一計算出被測材料在各諧振頻點的介電常數和損耗正切，測得材料在多個頻點的介電特性； 利用數值擬合技術對測試結果進行擬合，獲得被測材料在擬合頻帶內任一頻點處的介電特性。
2.如權利要求1所述的低損耗材料介電特性的高精度寬帶測試方法，其特征在于，擬合處理時，將測試模式的最低諧振頻率作為擬合頻帶的低端，將測試模式的最高諧振頻率作為擬合頻帶的高端。
【文檔編號】G01R27/26GK103983858SQ201410214421
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權日:2014年5月15日
【發(fā)明者】年夫順, 姜萬順, 邱兆杰 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所