一种介质材料电磁参数测量装置及测量方法与流程

本发明属于介质材料测量领域，尤其涉及一种介质材料电磁参数测量装置及测量方法。

背景技术：

随着新型材料在通信、计算机、国防工业中的广泛应用，生产厂商和用户对材料的测量精度和测量范围的要求也越来越高，而复介电常数和复磁导率是表征介质材料电磁特性的重要参数，如何满足新形势下厂商和用户对新材料的复介电常数、复磁导率等电磁参数的测量精度和测量范围的要求是微波测试技术中面临的新难题。

现有技术中，复介电常数和复磁导率等电磁参数通常只采用谐振腔微扰法、自由空间法或传输/反射法中的一种进行测量。虽然谐振腔微扰法的测量精度高，但谐振腔微扰法只能测量一个或者有限个频率的电磁参数，测量速度慢；自由空间法的测试范围广，但其测量精度有限；传输/反射法的测量频带宽，但当样品厚度是测试频率对应的半个波导波长的整数倍时，该测试方法不稳定易出现厚度谐振。

因此，现有技术的介质材料电磁参数测量装置无法同时满足测量速度快、测量频带宽且测量精度高的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种介质材料电磁参数测量装置，旨在解决现有技术无法同时做到测量速度快、测量频带宽且测量精度高的问题。

本发明是这样实现的，一种介质材料电磁参数测量装置包括：

微波矢量网络分析仪，所述微波矢量网络分析仪包括微波信号输出端口、微波信号输入端口和数据输出端；

异型同轴测量夹具，所述异型同轴测量夹具包括依次设置并围成封闭空间的第一腔体、中间被测样品腔体和第二腔体，所述第一腔体、所述中间被测样品腔体和所述第二腔体同轴设置，所述异型同轴测量夹具还包括固定于所述第一腔体内并与所述第一腔体同轴设置的第一中心柱、固定于所述第一腔体内并与所述第二腔体同轴设置的第二中心柱以及设于所述中间被测样品腔体内并位于所述第一中心柱与所述第二中心柱之间的测试盒；

输入同轴电缆，所述输入同轴电缆一端连接所述微波信号输出端口，另一端连接所述第一腔体的远离所述中间被测样品腔体的一端并向所述第一腔体内输入电磁波；

输出同轴电缆，所述输出同轴电缆一端连接所述微波信号输入端口，另一端连接所述第二腔体的远离所述中间被测样品腔体的一端并输出所述第二腔体内的电磁波；

gpib数据采集卡，所述gpib数据采集卡的输入端与所述数据输出端相连接；

计算机，所述计算机与所述gpib数据采集卡的输出端相连接。

本发明还提供一种应用所述介质材料电磁参数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

将测量样品放置于所述测量盒中并密封；

将所述输入同轴电缆和所述输出同轴电缆分别连接校准件，并将所述微波矢量网络分析仪、所述gpib信号采集卡和所述计算机相连接，对所述矢量网络分析仪进行误差校准；

将所述输入同轴电缆和所述输出同轴电缆分别连接所述异型同轴测量夹具进行传输校准；

将标准样品放入所述中间被测样品腔体内的测量位置，进行相应电磁参数的测量并输入所述标准样品的相应电磁参数；

取出所述标准样品，将装有测量样品的所述测试盒放入所述中间被测样品腔体内的测量位置，进行相应电磁参数的测量，所述计算机自动计算和显示所述测量样品的电磁参数并保存。

本发明实施例中的介质材料电磁参数测量装置，通过将所述异型同轴测量夹具设置成同轴线且围成封闭空间的第一腔体、中间被测样品腔体和第二腔体，使形成同轴谐振腔，并在中间腔设置用于封装测量样品的测试盒，利用了谐振腔法测量精度高的优点，从而使测试精度高；通过采用所述计算机自动计算和显示测量的电磁参数，测量速度快，从而使测量效率高；通过设置微波矢量网络分析仪自动分析所述测量样品的散射参数，利用了传输/反射法的测量频带宽的优点，使测量频带宽。本发明实施例提供的应用所述介质材料电磁参数测量装置的测量方法结合了谐振腔法和传输/反射法的优点，测量精度高、测量速度快且测量频带宽。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的异型同轴测量夹具的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的异型同轴测量夹具的另一角度的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的第一支撑件的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种应用介质材料电磁参数测量装置的测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的介质材料电磁参数测量装置，通过将所述异型同轴测量夹具设置成同轴线且围成封闭空间的第一腔体、中间被测样品腔体和第二腔体，使形成同轴谐振腔，并在中间腔设置用于封装测量样品的测试盒，在测量过程中，测试盒处于封闭的空间内，消除了外部电磁场的干扰，使内部磁场受到保护，利用了谐振腔法测量精度高的优点，从而使测量精度高；通过设置所述计算机自动计算和显示测量的电磁参数，测量速度快；通过设置微波矢量网络分析仪自动分析所述测量样品的散射参数，利用了传输/反射法的测量频带宽的优点，使测量频带宽。

请结合参照图1-图3，其中，图1示出了本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的结构框图；图2是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的异型同轴测量夹具的结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的异型同轴测量夹具的另一角度的结构示意图。作为本发明的一个实施例，该介质材料电磁参数测量装置包括：

微波矢量网络分析仪1，所述微波矢量网络分析仪1包括微波信号输出端口、微波信号输入端口和数据输出端；

异型同轴测量夹具2，所述异型同轴测量夹具2包括依次设置并围成封闭空间的第一腔体21、中间被测样品腔体22和第二腔体23，所述第一腔体21、所述中间被测样品腔体22和所述第二腔体23同轴设置，所述异型同轴测量夹具2还包括固定于所述第一腔体21内并与所述第一腔体21同轴设置的第一中心柱24、固定于所述第二腔体23内并与所述第二腔体23同轴设置的第二中心柱25以及设于所述中间被测样品腔体22内并位于所述第一中心柱24与所述第二中心柱25之间的测试盒26；

输入同轴电缆3，所述输入同轴电缆3一端连接所述微波信号输出端口，另一端连接所述第一腔体21的远离所述中间被测样品腔体22的一端并向所述第一腔体21内输入电磁波；

输出同轴电缆4，所述输出同轴电缆4一端连接所述微波信号输入端口，另一端连接所述第二腔体23的远离所述中间被测样品腔体22的一端并输出所述第二腔体23内的电磁波；

gpib数据采集卡5，所述gpib数据采集卡5的输入端与所述数据输出端相连接；

计算机6，所述计算机6与所述gpib数据采集卡5的输出端相连接。

本发明提供的介质材料电磁参数测量装置在测试介质材料的电磁参数时测试精度高、测量速度快且测量频带宽。

在本发明的实施例中，所述第一腔体21、所述中间被测样品腔体22和所述第二腔体23形成同轴谐振腔，所述微波矢量网络分析仪1产生电磁波并通过所述输入同轴电缆3向所述第一腔体21内输入电磁波，电磁波通过所述第一中心柱24传输至所述第一腔体21内，经测量样品的传输和反射进入所述第二腔体23，再经所述第二腔体23内的所述第二中心柱25传输至所述输出同轴电缆4，电磁波再经所述输出同轴电缆4输入所述微波信号输入端口，所述微波矢量网络分析仪1自动分析测量样品的散射参数s，所述gpib数据采集卡5采集所述微波矢量网络分析仪1分析的数据并输出至所述计算机6，所述计算机6自动计算和显示测量样品的电磁参数，通过将所述第一腔体21、中间被测样品腔体22和第二腔体23组成同轴谐振腔，使可充分利用谐振腔测量方法测量精确的优点，同时通过在所述第二腔体23内设置所述测试盒，在电磁波经测量样品传输和反射后自动分析和计算相应的电磁参数，测量速度快，且较好地利用了传输/反射法的测量频带宽的优点，因此，所述介质材料电磁参数测量装置同时具有测量精度高、测量速度快且测量频带宽的优点。

作为本发明的一个实际应用，如测量复介电常数和复磁导率参数。其中，复介电常数和复磁导率的计算原理如下：

首先，根据复磁导率、复介电常数和反射系数的公式：

(1)

(2)

其中γ为反射系数，μr为复磁导率，εr为复介电常数，t为传输系数，l为样品长度。

再根据微波矢量网络分析仪1的微波信号输出端口、微波信号输入端口两端口的散射参数s、反射系数γ和传输系数t之间的关系：

(3)

(4)

其中，s11为输入反射系数，s21为输出反射系数。

联合公式(1)、(2)、(3)、(4)公式即可推出复介电常数和复磁导率的值。

在本发明的实施例中，所述第一腔体21和所述第二腔体23呈锥状，所述第一腔体21的内径自输入电磁波的一端向所述中间腔22方向逐渐增大，所述第二腔体23的内径自输出电磁波的一端向所述中间腔22方向逐渐增大，同时，所述第一中心柱24的内径自输入电磁波的一端向所述中间腔22方向逐渐增大，所述第二中心柱25的内径自输出电磁波的一端向所述中间腔22方向逐渐增大，由于锥变形式的结构符合出传输/反射理论，可减小高次模对测量结果的影响，从而提高测量的精度。

所述第一中心柱24和所述第二中心柱25的靠近所述测试盒26的一端均设置成圆头，利于电磁场的传输。

所述第一腔体21的输入电磁波的一端与所述第一中心柱25的一端形成第一n型转接头，所述第二腔体23的输出电磁波的一端与所述第二中心柱25的一端同样形成第二n型转接头，所述输入同轴电缆3与所述第一n型转接头相连接，所述输出同轴电缆4与所述第二n型转接头相连接，由于n型转接头可直接与同轴电缆插接，使得所述输入同轴电缆3和所述输出同轴电缆4与所述异型同轴测量夹具2的对接快速简单。

作为本发明的一个实施例，所述第二中心柱25包括固定于所述第二腔体23内的固定柱体251和活动连接于所述固定柱体251的活动柱体252，所述活动柱体252位于靠近所述测试盒26的一侧并可沿所述固定柱体251的长度方向伸缩。通过将所述第二中心柱25的一端设置成可伸缩结构，可根据测量样品的长度调节所述第二中心柱25的长度并将所述活动柱体252顶住所述测试盒26，可实现不同长度的样品测量，使测量范围广。

作为本发明的一个优选实施例，所述固定柱体251上开设有螺纹孔，所述活动柱体252包括与所述测试盒26抵接的活动球头2521以及与所述活动球头2521相连接的螺纹柱2522，所述螺纹柱2522与所述螺纹孔通过螺纹配合连接。所述固定柱体251和所述活动球头2521之间通过螺纹相互配合连接，在调节所述第二中心柱25的长度时，只需轻拧所述活动球头2521即可实现所述第二中心柱25的长度调节，其操作简单。

所述测试盒26呈圆柱状，所述测试盒26上开设有用于注入测量样品的开口，所述测试盒26可盛放固态或液态的测量样品，可满足不同状态的测量样品的测量。

作为本发明的一个实施例，所述异型同轴测量夹具2还包括固定于所述第一腔体21外壁并环绕所述第一腔体21设置的第一固定件27、固定于所述第二腔体23外壁并环绕所述第二腔体23设置的第二固定件28以及分别固定于所述中间被测样品腔体22相对两端并环绕所述中间被测样品腔体22设置的第三固定件29，所述第一固定件27与一所述第三固定件29通过紧固件相连接，所述第二固定件28与所述第三固定件29通过紧固件相连接形成同轴谐振腔，该紧固件可为螺栓、销钉等，其拆卸和安装简单，便于更换不同的测量样品，从而使测试效率高。

作为本发明的一个实施例，所述异型同轴测量夹具2还包括固定于所述第一腔体21并用于支撑所述第一中心柱24的第一支撑件30和固定于所述第二腔体23并用于支撑所述第二中心柱25的第二支撑件31。所述第一支撑件30环绕所述第一腔体21的内壁设置，所述第二支撑件31环绕所述第二腔体23的内壁设置，其中，第一支撑件30和所述第二支撑件31的数量可根据实际需要设定，通过设置所述第一支撑件30和所述第二支撑件31，使所述第一中心柱24与所述第一腔体21相互间隔设置，所述第二中心柱25与所述第二腔体23相互间隔设置，并保持所述第一中心柱24与所述第一腔体21共轴线，有利于电磁波的直线传播。

作为本发明的一个优选实施例，所述第一支撑件30和所述第二支撑件31均设置成两个且相互间隔设置，此时，所述第一中心柱24和所述第二中心柱25受力平衡且使所述第一腔体21保持足够的空间用于反射电磁波。

作为本发明的一个实际应用，所述第一支撑件30和所述第二支撑件31均为塑料支撑件，即所述第一支撑件30和所述第二支撑件31均为采用塑料材质制成的支撑件，可对异型同轴测量夹具2起到很好的支撑固定作用，且使所述异型同轴测量夹具2的总体质量较轻。

请结合参照图4，示出了本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量装置的第一支撑件的结构示意图。作为本发明的一个实施例，所述第一支撑件30和所述第二支撑件31均开设有多个相互间隔设置且与所述中间被测样品腔体22相连通的通孔302；本实施例中，所述第一支撑件30和所述第二支撑件31的形状结构均相同，所述第一支撑件30和所述第二支撑件31均呈梅花状，可有效减小电磁传输过程中产生不必要的高次模谐振，有利于电磁传输。

所述第一支撑件30包括环绕所述第一腔体21内壁设置的主体部301，所述通孔302贯穿于所述主体部301，所述第一中心柱24贯穿于所述主体部301并与所述主体部301共轴线，该轴线与所述异型同轴测量夹具2的轴线共线，多个所述通孔302环绕所述第一支撑件30的中心轴线设置，多个所述通孔302的直径分别自所述第一支撑件30和所述第二支撑件31的中心轴线向圆周方向依次增大。在实际应用中，所述通孔302的大小可根据磁场内部分布情况进行设置，通过将多个所述通孔302的直径从内向外依次增大，可减小由反射系数和传输系数的误差带来的影响，从而提高测量结果的精度。

本发明实施例提供的介质材料电磁参数测量装置，通过将所述异型同轴测量夹具设置成同轴线且围成封闭空间的第一腔体、中间被测样品腔体和第二腔体，使三者之间形成同轴谐振腔，并在中间腔设置用于封装测量样品的测试盒，在测量过程中，测试盒处于封闭的空间内，消除了外部电磁场的干扰，使内部磁场受到保护，利用了谐振腔法测试精度高的优点，从而使测试精度高；通过设置所述计算机自动计算和显示测量的电磁参数，测量速度快，从而使测量效率高；通过设置微波矢量网络分析仪自动分析所述测量样品散射参数，利用了传输/反射法的测量频带宽的优点，使测量频带宽。

请结合参照图5，图5示出了本发明实施例提供的一种介质材料电磁参数测量方法的流程图。作为本发明的一个实施例，该介质材料电磁参数测量方法包括以下步骤：

步骤s1，将测量样品放置于所述测量盒中并密封；

步骤s2，将所述输入同轴电缆和所述输入同轴电缆分别连接校准件，并将所述微波矢量网络分析仪、所述gpib信号采集卡和所述计算机相连接，对所述矢量网络分析仪进行误差校准；

步骤s3，将所述输入同轴电缆和所述输出同轴电缆分别连接所述异型同轴测量夹具进行传输校准；

步骤s4，将标准样品放入所述中间被测样品腔体内的测量位置，进行相应电磁参数的测试并输入所述标准样品的相应电磁参数；

步骤s5，取出所述标准样品，将装有测量样品的所述测试盒放入所述中间被测样品腔体内的测量位置，进行相应的电磁参数测试，所述计算机自动计算和显示所述测量样品的电磁参数并保存。

本发明实施例提供的应用所述介质材料电磁参数测量装置的测量方法，测量精度高、测量速度快且测量频带宽。

在步骤s1中，将待测量的介质材料制作成粉状或液体状均匀放入所述测量盒26中，使可测量固态或液态的介质材料。

在步骤s2中，可根据所述微波矢量网络分析仪1的型号选择对应的电子校准件对所述微波矢量网络分析仪1进行误差校准。

在步骤s3中，在没有放入测量样品前，对所述异型同轴测量夹具2进行电磁波传输误差测量，以根据存在的误差进行校准，提高测量的精确度。

在步骤s4中，采用聚四氟乙烯的实心圆柱标准样品，测试时，启动所述计算机6中预先安装的测试软件，选择相应的测试选项。如：在测试复介电常数时，选择“复介电常数测量”选项，并点击测试软件上的“标准测量”选项，输入聚四氟乙烯标准样品的复介电常数，完成标准样品复介电常数的测量。

在测试复磁导率时，选择“复磁导率测量”选项，并点击测试软件上的“标准测量”选项，输入聚四氟乙烯标准样品的复磁导率，完成标准样品的复磁导率的测量。

在步骤s5中，将装有测量样品的所述测量盒26放置于所述中间被测样品腔体22内的测量位置并组装好所述异型同轴测量夹具2，选择所述计算机6预先安装的测试软件中的“样品测量”选项以进行测量，所述计算机6自动计算和显示出测量样品相应的电磁参数。

例如：在测试复介电常数时，步骤s4中选择“复介电常数测量”选项，则所述计算机6自动计算和显示出测量样品相应的复介电常数；在测试复磁导率时，步骤s4中选择“复磁导率测量”选项，则所述计算机6自动计算和显示出测量样品相应的复磁导率。通过所述计算机6自动计算和显示出测量样品的测量结果，计算速度快，测量效率高。

作为本发明的一个实施例，步骤s5包括：

当只有一个测量样品时，所述计算机6自动计算和显示所述测量样品的电磁参数并保存后选择退出；

当有一个以上测量样品时，在测量完上一测量样品后，更换下一测量样品并选择进入下一测量样品电磁参数的测量，待所有测量样品测试完毕，点击所述计算机6保存文档数据并退出。

在实际应用中，如果有一个以上的测量样品需要测量，选择所述计算机6预先安装的测试软件的“下一个样品”选项，进行下一个测量样品的测试，依此类推，待所有测量样品测试完毕，点击所述计算机6保存文档数据并退出，即可完成所有测量样品电磁参数的测量。当有多个测量样品需要测量时，无需重复步骤s4中标准样品的测量步骤，可直接进行下一样品的测试，使测试效率高。

本发明实施例提供的应用所述介质材料电磁参数测量装置的测量方法结合了谐振腔法和传输/反射法的优点，测量精度高、测量速度快且测量频带宽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。