一种多物理场耦合下的材料介电性能测试方法及装置

本发明属于微波测试，具体涉及一种多物理场耦合下的材料介电性能测试方法及装置。

背景技术：

1、随着电子信息技术的飞速发展，以铁电/铁磁材料、半导体等为代表的具有电、磁特性的功能材料在工程技术领域应用日益广泛，尤其是在新型传感器、驱动器及电子元器件制造领域。研究结果表明，铁电/铁磁材料、压电材料、半导体等存在复杂的多物理场耦合本构行为，微波场、静电场、静磁场、温度以及应力会对某些功能材料的本构电性能参数产生影响。因此，功能材料在多物理场耦合作用下电性能测试得到了广泛关注，也催生了对相关测试方法的迫切需求。

2、目前，在高温、高压或微波场耦合下，基于谐振法的材料复介电常数测试技术已有报道。在公告号为cn117388581a的专利“基于同轴腔法高温高压下材料介电性能测试系统及方法”中，提出通过将待测吸波材料置于渐变型同轴谐振腔内，利用加热和加压装置同时构建温度场和压力场，测量材料在不同温度和压力下的介电性能；在公告号为cn117630502a的专利“一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统及方法”中，提出在常规准光腔测试装置中加装加热和加压装置，并以熔融石英作为标样进行数据修正，实现在高温高压下对透波材料的介电性能进行测试；在公告号为cn115932412a的专利“低频微波电场作用下低损材料毫米波介电测试系统及方法”中，提出在准光腔测试装置中加载矩形谐振腔，利用矩形腔对低损耗材料施加微波电场，实现微波电场耦合下的低损材料介电性能测试。然而，上述测试系统均只是在单一物理场或双物理场下对微波材料介电性能参数进行测量，无法完全评估材料在模拟服役状态下(原位条件：力-热-电-磁-微波等多物理场同时耦合)的电性能变化规律。

3、除此之外，现有测试方法在计算上假设开放式同轴谐振腔在加载不同样品时其辐射损耗和导体损耗对应的品质因数不变。然而，实际加载样品后，谐振腔开口区域样品相对介电常数的变化会引起场分布的变化，进而改变辐射损耗和欧姆损耗，使得其对应的品质因数也随之变化。当加载样品为中低介电(εr<6)和中高损耗(tanδ>0.002)材料时，上述假设引入的误差可忽略；而当加载样品为高介电低损耗样品时，同轴谐振腔辐射损耗和导体损耗对应的品质因数变化较大，其变化量将大于由样品介电损耗带来的品质因数的变化量，导致现有算法中用于计算介电损耗所带入的品质因数不准确，无法精确计算出样品损耗角正切。因此，需要对现有算法进行改进，将加载不同样品时开放式同轴谐振腔辐射损耗和导体损耗对应的品质因数的变化考虑在内。

4、综上所述，若能对材料介电性能参数无损测试系统进行改进，集成多物理场耦合加载模块，则能够实现在多物理场耦合环境下对特定的功能材料电性能进行模拟原位测试；同时，对测试方法进行优化，使得介电常数的测量结果更准确，则会为服役状态下的材料老化过程、损伤机理的分析提供有力的测试手段。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种多物理场耦合下的材料介电性能测试方法及装置。该测试方法利用假想材料无耗时对应的理想品质因数q0s对开放式同轴腔的辐射损耗和欧姆损耗进行修正，提高了复介电常数测试的准确度和测试稳定性；同时对测试装置进行设计，使得该装置能够构建力、热、电、磁、微波等多物理场，实现对待测材料在多物理场耦合下的介电性能测试。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种多物理场耦合下的材料介电性能测试方法，包括以下步骤：

4、步骤1：测量开放式同轴腔在空腔状态下、tem模式的谐振频率f0和品质因数q0；

5、步骤2：将与待测样品相同厚度的参考样品放置于开放式同轴腔的开路端，测量开放式同轴腔在加载参考样品k1下、tem模式的谐振频率f1和品质因数q1，然后更换参考样品，对每个参考样品均测试谐振频率和品质因数，直至第m个参考样品km，测量谐振频率fm和品质因数qm；

6、步骤3：将待测样品放置于开放式同轴腔的开路端，并在待测样品上加载多物理场，待加载的多物理场稳定后，测量开放式同轴腔在加载待测样品下、tem模式的谐振频率f和品质因数q；

7、步骤4：基于步骤1、步骤2和步骤3得到的m+2组测量数据，计算得到待测样品的相对复介电常数εr，其计算过程如下：

8、步骤4.1.对于tem模式，根据微扰法改进得到如下方程：

9、

10、其中，εr为相对复介电常数，ε'r为相对介电常数，tanδ为损耗角正切，j为虚部，ε0为真空介电常数，△f＝f0-fs，fs为fm或f，qs为qm或q，{am}和{bm}为校准系数；

11、步骤4.2.将空腔状态下的测量数据f0，加载参考样品状态下的测量数据{fm}，以及参考样品的相对介电常数ε'rm代入式(2)，得到m个方程，联立求解得到tem模式的校准系数{am}；

12、步骤4.3.将加载参考样品状态下的测量数据{fm}与{qm}，参考样品的相对介电常数ε'rm和损耗角正切tanδm，以及求得的校准系数{am}代入式(3)，得到m个方程，联立求解得到tem模式的理想品质因数{q0sm}；

13、步骤4.4.将空腔状态下的测量数据f0和q0，加载参考样品状态下的测量数据{fm}，以及步骤4.3得到的tem模式的理想品质因数{q0sm}代入式(4)，得到m+1个方程，联立求解得到tem模式的校准系数{bm}；

14、步骤4.5.将空腔状态下的测量数据f0，加载待测样品状态下的谐振频率f和品质因数q，以及求得的校准系数{am}和{bm}，代入式(1)～(4)，即可计算得到待测样品的相对复介电常数εr。

15、进一步地，参考样品的相对介电常数和损耗角正切采用高q腔法进行提取，参考样品数量不少于3个，且其相对介电常数至少应分别位于2～4、4～8和8～12区间，损耗角正切至少分别位于10-4、10-3和10-2量级，以提高校准系数{am}和{bm}的可靠性和适用性。

16、本发明还提供一种适用于上述测试方法的多物理场耦合下材料介电性能测试装置，包括介电性能测试模块和多物理场加载模块；

17、所述介电性能测试模块包括第一矢量网络分析仪和开放式同轴腔；多物理场加载模块包括微波场加载子模块、静电场加载子模块、静磁场加载子模块、温度场加载子模块和压力场加载子模块；其中，微波场加载子模块包括第二矢量网络分析仪、功率放大器、耦合器、隔直器和带阻滤波器；静电场加载子模块包括直流源和金属样品台；静磁场加载子模块包括电磁铁；温度场加载子模块包括温控仪、发热体和导热绝缘盒；压力场加载子模块包括压力表、压力传感器、弹簧阵列、过渡支柱、升降平台、绝缘连接柱和系统支架；

18、所述系统支架包括底部平板、顶部平板、固定连接底部平板和顶部平板的立柱；绝缘连接柱、开放式同轴腔、金属样品台、发热体、弹簧阵列、压力传感器和升降平台从上至下依次设置于底部平板上，绝缘连接柱的另一端与顶部平板固定连接；待测样品设置于金属样品台上，且位于开放式同轴腔的开路端；所述压力表与压力传感器相连，用于显示加载的压力值；所述电磁铁对称置于待测样品两侧，使待测样品位于电磁铁静磁场作用区；

19、开放式同轴腔包括内导体、与内导体同轴设置的外导体，其一端短路，一端开路；开放式同轴腔靠近短路面侧的外导体侧壁上对称设置两个耦合端口，外导体侧壁上中部附近设置馈电端口，同时于外导体侧壁贯穿设置有四条呈圆周对称的缝隙；外导体靠近开路端侧壁上设置第一水冷通路，以保护开放式同轴腔；

20、第一矢量网络分析仪的两个端口分别经带阻滤波器和隔直器与两个耦合端口连接；第二矢量网络分析仪的第一端口顺次连接功率放大器、耦合器和第一隔直器后，与开放式同轴腔的馈电端口连接，其中功率放大器输出端与耦合器的输出端相接，第一隔直器与耦合器的输入端相连，第二矢量网络分析仪的第二端口与耦合器的耦合端连接；

21、所述直流源的正极连接金属样品台，负极接地后连接开放式同轴腔的外导体；所述金属样品台嵌入发热体中，金属样品台和发热体之间设置导热绝缘盒，使金属样品台和发热体绝缘；发热体的侧边内嵌设置加热棒，所述加热棒加热后经热传导对待测样品加热；热电偶设置于金属样品台上，用于对待测样品的温度进行检测。

22、进一步地，所述耦合端口采用圆环弱耦合结构，其耦合量(s21)应小于-50db；馈电端口采用探针强耦合结构，其s11应小于-10db。

23、进一步地，馈电端口的具体位置由馈入频率对应的tem谐振模式的场分布决定。

24、进一步地，所述金属样品台为高温合金材质，整体呈“t”型，底部嵌入导热绝缘盒中；所述发热体为高温合金材质，顶部有凹槽结构，用于承载导热绝缘盒，底部和过渡支柱连接固定；所述过渡支柱顶部具有第二水冷通路，用于对下方压力加载子模块进行热隔离。

25、进一步地，所述弹簧阵列由六个套有弹簧的螺丝和底盘组成，螺丝自上而下穿过过渡支柱底部的通孔，并固定在底盘上。

26、进一步地，第二矢量网络分析仪的输出信号的频率处于带阻滤波器阻带内。

27、进一步地，隔直器与带阻滤波器仅在加载微波场时接入，此时第二矢量网络分析仪输出信号的频率应处于加载待测样品下开放式同轴腔n个tem模式中的某一个模式(取决于微波场加载频率要求)谐振频率附近，且进行大功率微波场加载时，第一矢量网络分析仪测试需跳过该tem模式，避免注入的大功率信号对测试信号产生影响。

28、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

29、本发明设计的介电性能测试装置，能够实现对待测材料在加载力、热、电、磁、微波等多物理场下实现介电性能的测试；除此之外，还建立了基于微扰法改进而成的测试算法，提高了复介电常数测试的准确度和测试稳定性；本发明测试装置和方法为分析功能材料复介电常数随多物理场加载量的演变规律提供了重要技术支撑。