一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法与流程

本发明属于微波、毫米波介质材料介电常数测量技术领域，具体来说，是通过在距离谐振腔正中心不同位置处开有可放置杆状测试样品小孔的矩形谐振腔和测试夹具组成的可大幅拓宽测量范围的电介质材料的复介电常数的测试系统和方法。

背景技术

微波介质材料广泛应用于通信、国防军工、电子、微波加热、微波遥感、微波成像等领域，微波介质材料的电磁参数通常采用复介电常数和复磁导率表示，即：ε(jω)＝ε’(jω)-jε”(jω),μ(jω)＝μ’(jω)-jμ”(jω)，其中，复介电常数虚部和实部的比值称为损耗正切值，准确测量微波介质材料的复介电常数具有重要的意义。

目前，在微波频段，介电常数的测试方法主要为网络参数法和谐振腔法。其中，谐振腔法是将待测微波介质材料放置于谐振腔中，根据放入样品前后谐振腔的谐振频率和品质因数的变化，通过对应的算法来计算样品复介电常数的一种方法。

然而，上述方法均存在一定的问题：网络参数法中的传输反射法对样品制作要求很高，否则测试精度会受到很大影响；自由空间法校准精度要求高，校准步骤繁琐。谐振腔法中的介质谐振器法和微扰法只适用于中低损耗微波材料的测试，对高损耗介质材料(如水等)，采用矩形谐振腔微扰法时，只能进一步降低样品尺寸，比如采用矩形谐振腔法测量水的介电常数时(通讯电源技术2014，vol.31.no.76)，样品的直径约1.5mm(体积380mm³)，大大制约了测试的材料的范围；再比如，采用矩形谐振腔法测试食品、流质食物等材料的介电常数时，由于食品、流质食物等材料的不均匀性无法将样品做到1.5mm左右的直径，进而无法准确测量其介电常数。公开号为cn104407232b的中国专利公开了一种开放式同轴谐振腔测试系统，通过在同轴谐振腔上加低损耗材料层，减小被测高损耗材料对电场的扰动，实现了高损耗材料复介电常数的测试，但需要制作专用的夹具，且测试固体样品时，要求样品表面为光滑的平面，以确保样品和开路端或夹具有良好的接触，减小空气间隙的存在，以减小空气间隙对测试带来的误差。华中科技大学的张秀成等提出了一种利用反射式矩形谐振腔(华中科技大学学报自然科学版2004年第4期91页)，选用品质因数较高的te105工作模式，在宽边中央钻圆型小孔来放置电介质材料的方法，但该方法在待测样品损耗比较大时腔体的谐振峰也会被淹没无法测量，因此只能对中低损耗的微波材料进行测试。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法。本发明通过改变待测样品的放置位置，根据样品的特性将其放置于中心或者其他位置，有效解决了目前谐振腔微扰法只能测试中低损耗介质材料的问题，实现了非磁性材料复介电常数的测试，且具有测试精度高、方法简单的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法，包括以下步骤：

步骤1、待测材料的初判：若待测材料为介电常数实部与损耗正切值的参考值已知的材料a，则进入步骤2；若待测材料为介电常数实部与损耗正切值未知的材料b或者新材料c，则进入步骤3；

步骤2、查表或估算得到待测材料的介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr，然后根据介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr的乘积选择待测材料的放置位置：

假设矩形腔的宽边为a，待测样品孔的中心与矩形腔的中心之间的距离为ma；当待测材料为高损耗材料，即待测材料的εrtanδr≥10时，待测材料放置于高损耗材料样品孔内，当待测材料为中损耗材料，即1≤待测材料的εrtanδr＜10时，待测材料放置于中损耗材料样品孔内，当待测材料为低损耗材料，即εrtanδr＜1时，待测材料放置于低损耗材料样品孔内，m＝0；接着进入步骤4；

步骤3、将待测材料放置于低损耗材料样品孔内(m＝0)，若测得的谐振曲线的峰高小于3db，即无法得到谐振腔的q值时，将待测材料依次放置于中损耗材料和高损耗材料样品孔内，直至测得的谐振曲线的峰高大于或等于3db，即能得到谐振腔的q值，进入步骤4；若测得的谐振曲线的峰高大于或等于3db，即能得到谐振腔的q值时，进入步骤4；

步骤4、采用通过式矩形谐振腔法或者反射式矩形谐振腔法分别测试空腔时的谐振频率f0和谐振腔的q值q0，以及放入待测样品后的谐振频率f1和谐振腔的q值q1；

步骤5、根据如下公式计算得到复介电常数的实部ε'和虚部ε”：

其中，vc为待测样品的体积，vs为矩形谐振腔的体积；

根据计算，即可得到材料a的复介电常数真实值，以及材料b或材料c的介电常数实部参考值和损耗正切值参考值；

步骤6、针对材料b或材料c，判断步骤5得到的介电常数实部参考值和损耗正切值参考值与待测样品的放置位置是否满足步骤2的规则：若满足，则以步骤5得到的复介电常数参考值作为最后测得的复介电常数真实值；若不满足，则按照步骤2中提到的介电常数实部参考值和损耗正切值参考值的乘积与待测材料的放置位置之间的规则，选择材料b或材料c的放置位置，再重复步骤4与步骤5，得到复介电常数真实值。

本发明提供的一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法，可在一个开有多个测试样品孔的谐振腔中实现，也可以在不同位置开有测试孔的多个谐振腔中选择合适的谐振腔进行测试。

进一步地，所述待测样品孔的中心在所述矩形腔的横轴线或者纵轴线上(长边或宽边的中轴线上)。

进一步地，步骤2中，当待测材料的介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr的乘积在1(临界点)附近时，待测材料放置于低损耗材料样品孔和中损耗材料样品孔内，测得的复介电常数的差别很小，在误差允许范围之内；当待测材料的介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr的乘积在10(临界点)附近时，待测材料放置于中损耗材料样品孔和高损耗材料样品孔内，测得的复介电常数的差别很小，在误差允许范围之内。

进一步地，步骤4中，当采用通过式矩形谐振腔法测试谐振频率和品质因数时，测试装置如图4所示，包括开孔的矩形腔3，两块耦合孔片2、4，一台网络分析仪，在待测样品放置处开孔的矩形腔3和两块耦合孔片2、4组成了一个工作在te10n(n为正整数)模式的谐振腔，两边用同轴波导转换1和5形成一个二端口网络，网络分析仪的两个端口与同轴波导转换的接头连接。

进一步地，步骤4中，当采用反射式矩形谐振腔法测试谐振频率和品质因数时，测试装置如图5所示，包括一块耦合孔片2，一个开孔的矩形腔3，一块金属短路板，一个同轴波导转换1，一台网络分析仪；其中，在待测样品放置处开孔的矩形腔3、耦合孔片2以及短路板组成一个谐振腔，一边用同轴波导转换1形成单端口网络，调整网络分析仪的参数，同轴波导转换1的接头与网络分析仪中的一个端口连接。

一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料介电常数的装置，包括矩形谐振腔、网络分析仪，所述矩形谐振腔的中心设置测试样品孔，其特征在于，在所述矩形谐振腔的横轴线或者/和纵轴线上还设有至少一个测试样品孔。

进一步地，所述矩形谐振腔的横轴线或者/和纵轴线上还设有2～6个测试样品孔，包括1～3个中心与矩形谐振腔中心的距离为a的测试样品孔和1～3个中心与矩形谐振腔中心的距离为a的测试样品孔，a为矩形腔的宽边边长。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法，通过将矩形腔微扰法测量材料介电常数时样品的放置位置由目前常见的矩形腔中心位置即电场最强磁场最弱处，改变为根据样品的特性放置于不同的位置，有效解决了目前谐振腔微扰法只能测试中低损耗介质材料的问题，实现了非磁性材料复介电常数的测试，且具有测试范围广、测试精度高、方法简单的特点。

附图说明

图1为传统的矩形谐振腔测量介电常数时被测材料放置于谐振腔宽边中心位置的示意图；

图2为本发明实施例1基于矩形腔微扰法测量非磁性材料介电常数的方法中被测材料的放置位置示意图；

图3为在矩形腔边缘(a)和中心位置(b)放置相同材料时的模拟结果图；表明高损耗材料放置于中心位置时，中心位置场的模式已经改变，不满足微扰条件；

图4为采用通过式矩形谐振腔法测试材料介电常数的测试系统；其中，1为同轴波导转换，2为耦合孔片，3为开孔的矩形腔，4为耦合孔片，5为同轴波导转换；

图5为采用反射式矩形谐振腔法测试材料介电常数的测试系统；其中，1为同轴波导转换，2为耦合孔片，3为开孔的矩形腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

本发明提供的一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法，通过将矩形腔微扰法测量材料介电常数时样品的放置位置由目前常见的矩形腔中心位置即电场最强磁场最弱处，改变为根据样品的特性放置于不同的位置，具体规律见上述步骤2。其基本原理是：在测量高损耗非磁性材料时，将待测样品从矩形腔中心位置即电场最强磁场最弱的位置，移动至矩形腔的边缘位置即电场较弱或很弱的位置，以减小待测材料引起的扰动，实现在不减小材料尺寸的前提下高损耗材料介电常数的测试。同时，由于非磁性材料的磁导率与空气的磁导率相等均为1，而△μ＝0，因此，被测的非磁性材料仍然无磁损耗，磁场也不会影响谐振腔的谐振。

实施例1

本实施例提供的一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法，选用的矩形腔为bj22波导，长度为1.5个波导波长，体积为：109.2mm×54.6mm×222mm,选用的模式为te103模式；待测材料为介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr已知的水。具体过程为：首先，查表得到去离子水在0～3ghz、15℃下，介电常数实部参考值εr＝79，损耗正切值参考值tanδr＝0.2050，根据计算可得到介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr的乘积εrtanδr＝16.195≥10，选择将待测水放置于中心与矩形谐振腔中心的距离为的位于矩形腔长边中轴线上的高损耗材料样品孔内，然后，选用介电常数实部和损耗角正切均较小且厚度约为0.25mm的塑料管作为承装待测的水的容器，准备放置于中心与矩形谐振腔中心的距离为的高损耗材料样品孔内，a为矩形腔的宽边边长，样品孔的直径为6.5mm；如图4所示，将同轴波导转换1和5的两个端口连接至网络分析仪的两个端口，并在网络分析仪上设置测试频率，调整好电路参数；然后，测试并记录未放材料即空腔时(此时由于承载待测水容器的塑料介电常数实部和损耗角正切均较小且体积较小，可近似看成空腔)的谐振频率f0、谐振腔的q值q0和在容器中装入待测水后的谐振频率f1、谐振腔的q值q1，本实施例中空腔的谐振频率f0和谐振腔的q值q0为：2.431375ghz，1891.4，放入待测水后的谐振频率f1和谐振腔的q值q1为：2.42ghz，333.46；最后，根据步骤5的公式计算得到待测水复介电常数的实部ε'和虚部ε”，进而得到待测水的介电常数实部真实值为76.84，损耗正切值真实值为0.2606。

根据步骤2中提到的介电常数实部参考值和损耗正切值参考值的乘积与待测材料的放置位置之间的规则，76.84×0.2606＝20.02≥10，因此，待测水放置于中心与矩形谐振腔中心的距离为的高损耗材料样品孔内测得的是准确的结果。需要说明的是，该实施例中将待测水放置于矩形腔中心位置时，由于水为高损耗介质，无法测出谐振腔的q值，即采用普通的矩形谐振腔法无法测试其复介电常数。

实施例2

本实施例提供的一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法，选用的矩形腔为bj22波导，长度为1.5个波导波长，体积为：109.2mm×54.6mm×222mm,选用的模式为te103模式；待测材料为介电常数实部参考值εr和损耗正切值参考值tanδr未知的某种液体，选用介电常数实部和损耗角正切均较小且厚度约为0.25mm的塑料管作为承装待测液体的容器。具体过程为：首先，将待测液体放置于矩形腔中心的样品孔内，样品孔的直径为6.5mm，测得的谐振曲线平坦，无法找到3db点，即无法测试出负载时的谐振频率和q值；然后改变待测样品的放置位置，将其放置于中心与矩形谐振腔中心的距离为的位于矩形腔宽边中轴线上的中损耗材料样品孔内(样品孔的直径为6.5mm)，测得的谐振曲线的峰高大于3db，即能得到谐振腔的q值；如图4所示，将同轴波导转换1和5的两个端口连接至网络分析仪的两个端口，并在网络分析仪上设置测试频率，调整好电路参数；然后，测试并记录未放材料即空腔时(此时由于承载容器的塑料介电常数实部和损耗角正切均较小且体积较小，可近似看成空腔)的谐振频率f0、谐振腔的q值q0，以及将待测液体放置于中心与矩形谐振腔中心的距离为的中损耗材料样品孔内时的谐振频率f1、谐振腔的q值q1，本实施例测得的值分别为：f0＝2.431375，q0＝1891.4，f1,＝2.42897，q1,＝842.5；根据步骤5的公式计算得到待测液体的复介电常数的实部ε'和虚部ε”，进而得到待测液体的介电常数实部为5.16，损耗正切值为0.26；最后，判断上述得到的介电常数实部参考值和损耗正切值参考值与待测样品的放置位置是否满足步骤2的规则，1≤5.16×0.26＝1.3416＜10，满足放置规则，表明待测液体放置于中心与矩形谐振腔中心的距离为的中损耗材料样品孔内测得的是准确的结果，则以介电常数实部为5.16，损耗正切值为0.26作为测得的真实值。

本发明提供的测量非磁性材料介电常数的方法中，保留了微扰法准确、计算简单等特点，同时在适用范围上提高了很多。上述实施例只是为了便于本技术领域的人员理解本发明，但应该清楚，开孔的位置和简单的公式变化是显而易见的，而且根据样品的特性调整样品位置也是很有必要的。所以一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。