专利名称：一种介质材料高温复介电常数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微波测试技术领域，涉及终端短路法介质材料复介电常数测量方法及系统，尤其是用于介质材料高温复介电常数测量的系统。
背景技术：
随着高温介质材料在航空航天、军事装备等领域中的应用越来越广泛，对其微波性能的要求也越来越高。复介电常数及其温度特性是衡量高温介质材料微波性能优劣的一个重要参数。因此，在研究和应用高温介质材料时，均需要在高温环境下对材料复介电常数的温度特性进行测试。终端短路法是测量介质材料复介电常数一种常用方法。其测量原理是将被测材料填充于终端短路的传输线，通过测量该传输线的复反射系数，可计算得到被测材料的复介电常数。该方法只需测量单端口反射系数，且具有结构简单、测试频带宽、体积小等优点，比较适合高温测量。终端短路法的测试原理如图I所示。根据阻抗原理，可以得到tanh^)= 1ta^0I(I)
7-d j-P0-Ciy p-j- tan(^;) J其中，Y为填充有被测介质样品波导段的传输系数，d为被测介质样品厚度。
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为衰减常数，&为相位常数，L为波导长度，a为波导长边宽度，S11为复反射系数，e sll为S11的角度。由式(I)求得填充有被测材料波导段的传输系数Y后，再利用传输线方程，即可求得被测材料的复介电常数。
/X 2^ = A_. +p2-a2(8)
2.7T、义 c J
tan--(9)
_4] 问 W
14 J 式中，e' r为介质材料的相对介电常数，tan S E为损耗角正切。[0016]由公式(I) (9)可知，当已知填充有被测材料的传输线的复反射系数后，可计算得到材料的复介电常数。因此有e ' r = f (L, a, f0, S11, d)(10)2002年，美国制定了 ASTM标准“D2520-01”。在该标准中，采用矩形波导传输线，用终端短路法进行材料介电性能的变温测量，测量的最高温度是1650°C，传输线采用的材料是钼铑合金；当测试温度较低时，可以采用可满足温度测量的其他材料。电子科技大学在其专利申请“一种基于终端短路法的高温复介电常数测量方法”(申请号200910059213. 0)中采用的测试波导为高温矩形测试波导，由散热波导、隔热波导、高温波导和短路板组成。共有两路，一路加载样品，一路用于误差修正。测试时，被测介质样品紧贴短路板放置于其中一路高温波导内，测量出波导加载被测介质样品时的反射系数，并利用另一路空载波导的反射系数进行修正，然后计算出被测戒子材料的复介电常数。 由于某些介质材料在高温下会融化，甚至与短路板和高温波导发生化学反应，从而污染短路板和高温波导。发生这种情况后短路板和高温波导无法重复使用。通常的做法是彻底更换短路板和高温波导，由于短路板和高温波导材料及加工成本很高，彻底更换短路板和高温波导会造成测试成本过高且操作不方便；此外，在高温条件下，波导由于受热不均匀，会发生形变，即使能够对短路板和高温波导进行清洗也不能保证短路面与波导始终有良好的电接触，从而影响测试结果的准确性。
发明内容本实用新型针对现有介质材料高温复介电常数测量装置中存在的上述缺陷，提供一种新的介质材料高温复介电常数测量装置。该测量装置对现有的介质材料高温复介电常数测量装置中由短路板和高温波导构成的样品测试夹具(承载结构)进行改进，在高温波导后端增加一个由高温波导和短路法兰构成的扼流法兰结构，并采用短路法兰盘来承载被测介质样品。采用本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置，在测量过程中具有操作方便、使用和维护成本低的特点；同时本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置由于采用了扼流法兰结构，能够保证终端短路面与波导之间良好的电接触，从而能够保证测试结果的准确性。本实用新型技术方案如下一种介质材料高温复介电常数测量装置，如图2所示，包括矢量网络分析仪和矩形波导谐振腔，所述矩形波导谐振腔通过波导-同轴转换接头和同轴线与所述矢量网络分析仪相连；所述矩形波导谐振腔由相同尺寸的散热波导、隔热波导和高温波导以及一块短路法兰盘顺序连接而成，矩形波导谐振腔壁做金属化处理。所述短路法兰盘采用耐高温导电材料制作，其面向矩形谐振腔内部的一侧具有矩形截面凹槽结构，用以承载被测介质样品；所述凹槽结构的矩形截面尺寸与矩形波导谐振腔的截面尺寸一致。所述高温波导与短路法兰盘的连接处形成扼流式法兰结构。上述介质材料高温复介电常数测量装置还可包括一个高温炉，所述高温炉用以对置于炉内的矩形波导谐振腔的高温段，即高温波导和短路法兰盘进行加热以实现高温测量。[0025]由于通常采用终端短路法测量介质材料高温介电性能(复介电常数)时，需要测量矩形波导谐振腔在高温下的空载和有载反射系数，因此本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置可以包括两个完全相同的矩形波导谐振腔，两个矩形波导谐振腔分别通过波导-同轴转换接头和同轴线与所述矢量网络分析仪不同的通道相连，使得在高温测量时，将两个矩形波导谐振腔的高温段，即两个矩形波导谐振腔的高温波导和短路法兰盘同时置于高温炉中，其中一个矩形波导谐振腔有载(即矩形波导谐振腔的短路法兰盘承载被测介质样品)，而另一个矩形波导谐振腔空载，这样可同时测量矩形波导谐振腔在高温下的空载和有载反射系数，从而可大大提高测量效率。需要说明的是一、制作法兰的材料为耐高温导电材料，如钥、钨、钽、石墨等，具体实施可根据测试温度，被测材料特性及加工成本决定。钨材料硬度高，加工难度大，钥材料只能用于13000C以下温度环境中测试。二、本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置中，所述扼流式法兰结构中径向传输线A的长度LI和同轴波导段B的长度L2应为1/4波导波长。而径向传输线A的宽度(即扼流式法兰缝隙宽度)d应为标准法兰接头的缝隙宽度，考虑到材料在高温下的热膨胀效应，也可以将扼流式法兰缝隙宽度d设计成略大于标准法兰接头的缝隙宽度，以保证高温下法兰缝隙与矩形波导谐振腔腔壁的交界面为一等效短路面。由于法兰缝隙与矩形波导谐振腔腔壁的交界面为一等效短路面，使得即使在短路法兰盘使用老化发生一定的变形而无法与高温波导实现良好的机械接触的情况下依然能够保证终端短路板(短路法兰)与矩形波导之间良好的电接触，从而能够长期保证测量精度，避免了现有的基于终端短路法介质材料高温复介电常数测量系统中由于短路板与波导接触不良而引起的测量误差。三、测试时，将被测介质材料样品放入短路法兰盘的矩形凹槽中，被测材料横向尺寸与短路法兰盘的矩形凹槽截面相适应，并与短路法兰盘的短路面紧密接触；再将短路法兰盘与高温波导对准，通过定位销钉与螺钉连接；然后加高温进行测试。短路法兰盘可统一制作多套，以降低制作成本。即使出现受被测介质样品污染或老化变形的情况，也只需更换短路法兰盘即可，波导并不会受到污染和损伤，可重复使用，因此本实用新型所提供的介质材料高温复介电常数测量装置具有较低的使用和维护成本。综上所述，本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置具有操作方便、使用和维护成本低的特点；同时本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置由于采用了扼流法兰结构，能够保证终端短路面与波导之间良好的电接触，从而能够保证测试结果的准确性。
图I为传统终端短路法测量介质材料高温复介电常数的测量装置结构示意图。图2为本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置基本结构示意图。图3为本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置中，扼流式法兰结构连接处的截面示意图。图4为本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置另一结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一一种介质材料高温复介电常数测量装置，如图2所示，包括矢量网络分析仪和矩形波导谐振腔，所述矩形波导谐振腔通过波导-同轴转换接头和同轴线与所述矢量网络分析仪相连；所述矩形波导谐振腔由相同尺寸的散热波导、隔热波导和高温波导以及一块短路法兰盘顺序连接而成，矩形波导谐振腔壁做金属化处理。所述短路法兰盘采用耐高温导电材料制作，其面向矩形谐振腔内部的一侧具有矩形截面凹槽结构，用以承载被测介质样品；所述凹槽结构的矩形截面尺寸与矩形波导谐振腔的截面尺寸一致。所述高温波导与短路法兰盘的连接处形成扼流式法兰结构。上述介质材料高温复介电常数测量装置还可包括一个高温炉，所述高温炉用以对置于炉内的矩形波导谐振腔的高温段，即高温波导和短路法兰盘进行加热以实现高温测量。使用时，首先确定测量装置中所述矩形波导谐振腔在常温下的微波反射系数，再测量所述矩形波导谐振腔在高温下有载和无载的微波反射系数，并结合各种已知条件(包括尺寸、测试频率、材料热膨胀特性等)，采用终端短路法即可计算出被测介质样品的高温复介电常数。
具体实施方式
二由于通常采用终端短路法测量介质材料高温介电性能(复介电常数)时，需要测量矩形波导谐振腔在高温下的空载和有载反射系数，因此本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置可以包括两个完全相同的矩形波导谐振腔，两个矩形波导谐振腔分别通过波导-同轴转换接头和同轴线与所述矢量网络分析仪不同的通道相连。两个巨型波导谐振腔的材料和尺寸完全相同，均由相同尺寸的散热波导、隔热波导和高温波导以及一块短路法兰盘顺序连接而成，矩形波导谐振腔壁做金属化处理；所述短路法兰盘采用耐高温 导电材料制作，其面向矩形谐振腔内部的一侧具有矩形截面凹槽结构，用以承载被测介质样品；所述凹槽结构的矩形截面尺寸与矩形波导谐振腔的截面尺寸一致；所述高温波导与短路法兰盘的连接处形成扼流式法兰结构。高温测量时，将两个矩形波导谐振腔的高温段，即两个矩形波导谐振腔的高温波导和短路法兰盘同时置于高温炉中，其中一个矩形波导谐振腔有载(即矩形波导谐振腔的短路法兰盘承载被测介质样品)，而另一个矩形波导谐振腔空载，这样可同时测量矩形波导谐振腔在高温下的空载和有载反射系数，从而可大大提高测量效率。采用本实用新型提供的介质材料高温复介电常数测量装置对介质材料进行高温复介电常数测量时，基本步骤和计算过程与常规测量介质材料高温复介电常数的终端短路法并无二致，在此不再赘述。应当说明的是，本实用新型采用的是矩形波导谐振腔结构，对于圆波导、同轴波导及其他类型的传输线，本实用新型的设计思想仍然适用。
权利要求1.一种介质材料高温复介电常数测量装置，包括矢量网络分析仪和矩形波导谐振腔，所述矩形波导谐振腔通过波导-同轴转换接头和同轴线与所述矢量网络分析仪相连；其特征在于，所述矩形波导谐振腔由相同尺寸的散热波导、隔热波导和高温波导以及一块短路法兰盘顺序连接而成，矩形波导谐振腔壁做金属化处理；所述短路法兰盘采用耐高温导电材料制作，其面向矩形谐振腔内部的一侧具有矩形截面凹槽结构，用以承载被测介质样品；所述凹槽结构的矩形截面尺寸与矩形波导谐振腔的截面尺寸一致；所述高温波导与短路法兰盘的连接处形成扼流式法兰结构。
2.根据权利要求I所述的介质材料高温复介电常数测量装置，其特征在于，所述扼流式法兰结构中径向传输线(A)的长度LI和同轴波导段(B)的长度L2为1/4波导波长；而径向传输线A的宽度、即扼流式法兰缝隙宽度d为标准法兰接头的缝隙宽度或略大于标准法兰接头的缝隙宽度。
3.根据权利要求I或2所述的介质材料高温复介电常数测量装置，其特征在于，所述介质材料高温复介电常数测量装置还包括一个高温炉；所述高温炉用以对置于炉内的矩形波导谐振腔的高温段，即高温波导和短路法兰盘进行加热以实现高温测量。
4.根据权利要求I或2所述的介质材料高温复介电常数测量装置，其特征在于，所述介质材料高温复介电常数测量装置还包括另外一个完全相同的矩形波导谐振腔，所述另外一个矩形波导谐振腔同样通过波导-同轴转换接头和同轴线与所述矢量网络分析仪的另一通路相连。
5.根据权利要求4所述的介质材料高温复介电常数测量装置，其特征在于，所述介质材料高温复介电常数测量装置还包括一个高温炉；所述高温炉用以对置于炉内的两个矩形波导谐振腔的高温段，即高温波导和短路法兰盘进行加热以实现高温测量。
专利摘要一种介质材料高温复介电常数测量装置，属于微波测试技术领域。包括矢量网络分析仪和矩形波导谐振腔，所述矩形波导谐振腔由散热波导、隔热波导和高温波导以及一块短路法兰盘顺序连接而成，所述短路法兰盘其面向矩形谐振腔内部的一侧具有矩形截面凹槽结构，用以承载被测介质样品，所述高温波导与短路法兰盘的连接处形成扼流式法兰结构。本实用新型将现有介质材料高温复介电常数测量装置的高温波导和金属短路板相接触的结构改造成高温波导与短路法兰盘相接的扼流式法兰结构，具有操作方便、使用和维护成本低的特点；同时能够保证终端短路面与波导之间良好的电接触，从而能够保证测试结果的准确性。
文档编号G01R27/26GK202383208SQ20112043122
公开日2012年8月15日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者周杨, 李恩, 王益, 聂瑞星, 郭高凤, 陶冰洁, 高源慈 申请人:电子科技大学