一种表征待测样品介电特性的闭合同轴传输线测试系统及方法

文档序号:10568847阅读:934来源:国知局
一种表征待测样品介电特性的闭合同轴传输线测试系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种测试液体及固体材料介电特性的闭合同轴传输线测试系统,该闭合同轴传输线测试系统包括测试夹具、矢量网络分析仪、计算机和测试连接线;测试夹具包括双向SMA接头、螺钉、防水橡胶垫圈、两端开口连通结构的转接头、具有电磁屏蔽效应的样品室、样品室内导体和待测样品;测试夹具由四孔法兰、柱状筒形聚四氟乙烯和双向SMA接头双母头同轴内导体构成。本发明基于传输反射法与去嵌入技术的有机结合,在不依赖专属定制校准件或对夹具进行复杂数学建模的情况下去除夹具接口的测试寄生效应,实现对液体与固体材料介电特性的精确测量;对测试样品处理要求低,夹具安装简洁,测试工作频率范围扩展灵活,适用范围广。
【专利说明】
一种表征待测样品介电特性的闭合同轴传输线测试系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于微波测试领域,涉及对于液体材料、固体或固体粉末材料的介电特性的表征,特别涉及一种表征液体及固体材料介电特性的闭合同轴传输线测试系统。
【背景技术】
[0002]材料的介电特性是每种材料独有的电气特征,对于材料介电特性的准确测量与表征对于材料的恰当使用至关重要。通过对材料介电特性的掌握,可以为许多电子应用提供关键的设计参数信息,通过对材料介电特性的深入了解,在食品安全检测、医疗设备设计与使用、航空航天设计等领域的应用带来帮助,快速准确的掌握材料的介电特性对提高行业产品设计、流程质量检验的效率助益良多。
[0003]对于材料介电特性的测量,主要有同轴探头法、同轴/波导传输线法、自由空间法、平行板法和谐振腔法。同轴传输线法因其具有宽频带测量(50MHz-60GHz),对测试样品加工要求较低,适用测试样品种类多样,测试快速且结果准确而倍加受到关注,但是由于闭合同轴传输线夹具需要连接仪器,其转接头在其中必不可少,从而在最终测试结果中因接头的寄生效应对测试结果的准确性造成不容忽视的影响。已有的校正方法在于根据夹具的特定尺寸定制相应的校准件,或是通过复杂的数学建模模拟接头的S参数来消除接头在S参数中的寄生效应。定制的校准件适用范围有限,成本高,建模费时同时不能完全的去除接头影响。已有的去嵌入技术可以实现在获得夹具接头S参数的前提下实现对测试去寄生效应的效果,但鲜有具体简单可供实现的方法。
[0004]现有技术“一种测试材料电磁特性的同轴夹具”(申请号201420584461.3),进行测试的探头组装程序复杂,复杂结构不利于保证测试结果准确性,同时会使样品测试的流程加长,不利于样品的快速测试,固定的转接头类型不利于测试频率的扩展。现有技术“固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试”(申请号201510305197.4),其对于测试夹具的测试中的耦合效应的去除是通过传统的TRL校准方式实现的,需要定制特定尺寸校准件,而校准件的制作要求极高,大大提高了生产成本,同时校准的结果不能很好的保证,同时该测试系统不能对液体样品介电特性进行测试。

【发明内容】

[0005]针对现有技术中同轴传输线测试方法测试夹具中接头在测试过程中产生的寄生效应难以去除,特定测试材料对应用频率范围要求较高,特定的同轴传输线夹具工作范围有限,测试频率范围扩展困难的问题。本发明提供一种表征液体及固体材料介电特性的闭合同轴传输线测试系统,具体是一种闭合同轴传输线探头,该闭合同轴传输线测试系统校正结果准确,测试频率范围可供扩展的测试体系,实现对测试样品材料的介电特性的测量。
[0006]为了实现目的,本发明的技术方案为:
[0007]—种表征液体及固体材料介电特性的闭合同轴传输线测试系统,该闭合同轴传输线测试系统包括测试夹具、矢量网络分析仪9、计算机10和测试连接线11;测试夹具包括双向SMA接头、螺钉4、防水橡胶垫圈5、两端开口连通结构的转接头6、具有电磁屏蔽效应的样品室7、样品室内导体8和待测样品。
[0008]双向SMA接头一侧通过双向SMA接头双母头同轴内导体3与样品室内导体8插接相连,并通过螺纹与转接头6相接旋紧,并通过螺钉4经由双向SMA接头外导体双头SMA螺纹带四孔法兰I将整个双向SMA接头固定在转接头6上,另一侧通过测试连接线11与矢量网络分析仪9对应端口连接;转接头6的另一端通过内孔螺纹与样品室7接合,内孔螺纹末尾处为环形凹槽,用以安装环形防水橡胶垫圈5。双向SMA接头双母头同轴内导体3的两端母头尺寸参考SMA接头母头内导体尺寸制作,即双向SMA接头双母头同轴内导体3的两端母头尺寸与SMA接头母头内导体相同,均含有对称开缝内陷的圆柱形孔,孔终端为同轴锥形孔。矢量网络分析仪9通过测试连接线11与闭合同轴传输线夹具连接,对待测样品进行测试;计算机10与矢量网络分析仪9连接,进行数据采集与计算分析。所述的双端开口筒形样品室7的两端口处通过螺纹连接转接头6,内部环形腔放置待测样品。
[0009]所述的双向SMA接头由四孔法兰1、柱状筒形聚四氟乙烯2和双向SMA接头双母头同轴内导体3构成;双向SMA接头均为母头,母头两端均为外螺纹。所述的柱状筒形聚四氟乙烯2填充在四孔法兰I与双向SMA接头双母头同轴内导体3之间,柱状筒形聚四氟乙烯2的内直径等于双向SMA接头双母头同轴内导体3的直径,外直径等于双向SMA接头外导体的内直径,长度等于双向SMA接头双母头同轴内导体3的长度。将双向SMA接头双母头同轴内导体3插入已加工好的柱状筒形聚四氟乙烯2,然后将组装好的整体插入双向SMA接头外导体双头SMA螺纹带四孔法兰I,构成双向SMA接头。
[0010]所述的样品室内导体8两端为插针,其尺寸与双向SMA接头双母头同轴内导体3两端的母头尺寸相配合,样品室内导体8除去插针的主体长度与样品室7相等,主体部分直径与双向SMA接头双母头同轴内导体3直径相等,样品室内导体8插入双向SMA接头双母头同轴内导体3的同轴锥形孔中;样品室内导体8,双向SMA接头内导体3与环形样品室7处于同一中轴线上,待测样品置于与双向SMA接头相接的两个转接头6之间。所述的样品室为双端开口环形样品室,内部环形腔用以盛放待测样品。
[0011]所述的双向SMA接头、样品室7、转接头6、双向SMA接头双母头同轴内导体3和样品室内导体8均为奥氏体304不锈钢,可以有效减少测试样品对测试系统的腐蚀损坏,同时由于材料为非磁性,也能够有效避免测试系统自身材料对样品介电特性测试带来的影响。双向SMA接头I和样品室7的内表面,SMA接头内导体3和样品室内导体8的表面均要求抛光,以保证测试微波信号传输的稳定。
[0012]所述的待测样品为液体或固体材料,待测样品置于与双向SMA接头相接的两个转接头之间。待测样品在样品室中完全填充,待测样品为内径与样品室内导体直径相等,外径与样品室内直径相等,长度与样品室长度相等的柱形筒状,以便于样品介电特性的准确测量,对于固体粉末或液体样品则直接在安装好一侧转接头的夹具中进行填充。
[0013]采用上述闭合同轴传输线测试系统表征待测样品介电特性的方法,具体包括以下步骤:
[0014]第一步,准备测试仪器,采集数据
[0015]将计算机与矢量网络分析仪相连,获取来自测试仪器的数据;将测试连接线与矢量网络分析仪对应端口相接,用标准校准件对矢量网络分析仪进行全双端口校正,校正完毕后保存校正数据到矢量网络分析仪中。
[0016]第二步,测试双向SMA接头的S参数
[0017]将双向SMA接头与矢量网络分析仪双端口的测试连接线连接,通过对双向SMA接头进行扫频测试获取双向SMA接头的全S参数Sa11、Sa21、Sa12、Sa22,并将矢量网络分析仪测得的数据保存到计算机,通过实际测试获得双向SMA接头的S参数。
[0018]第三步,组装测试夹具,将待测样品放入样品室内
[0019]从测试夹具的一侧开始组装,将双向SMA接头与转接头一侧相连并旋紧,用螺钉将SMA接头与转接头固定,在转接头另一侧与样品室接合的内孔螺纹末尾环形凹槽内放入防水橡胶垫圈。
[0020]测试夹具的另一侧将样品室内导体与双向SMA接头相连,然后将双向SMA接头旋入转接头对应连接SMA接头的一侧螺纹内,旋紧后用螺钉将SMA接头与转接头固定,保证后期夹具连接测试线时SMA接头不会发生额外转动;转接头与品室相接并旋紧,并放入防水橡胶垫圈。
[0021]第四步,测试待测样品
[0022]将测试夹具两端与连接矢量网络分析仪两端口的测试连接线相连并旋紧,对待测样品进行扫频测试,并将测得的测试夹具的双端口全参数Smn、Sm21、Sm12、Sm22导入计算机保存。
[0023]第五步,去除测试寄生效应,计算介电特性参数
[0024]通过将第二步测得的全S参数San、Sa21、Sa12、Sa22以及第四步测得的全S参数Smn、Sm21、Sm12、Sm22进行传输散射参数变换得到相应的T参数Ta11、Ta12、Ta21、Ta22和对应的!^、Tm21、Tm12、Tm22;通过链式传输矩阵计算去除双向SMA接头带来的测试寄生效应,得到纯粹待测样品的T参数Tdn、Td21、Td12、Td22,进而通过矩阵变换得到测试样品对应的全S参数Sdn、Sd21、Sd12、Sd22;利用得到的待测样品全S参数通过传输反射法反演即可得到样品的的介电特性,所述的介电特性包括复介电常数、复磁导率、样品损耗正切或品质因数。
[0025]基于传输反射法与去嵌入技术的有机结合,在不依赖专属定制校准件或对夹具进行复杂数学建模的情况下去除夹具接口的测试寄生效应,实现对液体与固体材料介电特性的精确测量。
[0026]本发明的有益效果:
[0027]I)由于夹具接头部分被设计为与矢量网络分析仪测试用接线接头尺寸、螺纹和内导体相对应的双向接头,可以通过直接测试获得接头的散射参数,通过对应测试结果的矩阵变换与运算即可去除同轴传输线法夹具中接头测试寄生效应,对于传输反射法测试样品介电特性的过程中接头寄生效应的去除不需要依据夹具的尺寸定制特定的校准件,应对不同的接头类型,不依赖建立复杂的数学模型来去除接头的附加测试影响,去除方法可行性好,去除结果准确可靠。
[0028]2)测试材料可以为液体、固体或固体粉末;可供测试的种类丰富,适用范围广,对测试样品处理要求低。
[0029]3)测试频率范围的扩展可通过夹具双向接头类型与对应样品室同轴内导体的方式实现。SMA接头连接的测试夹具可实现lMHz-18GHz范围的测试,将双向接头类型从SMA换为SSMA可将测试频率上限扩展到38GHz,换为GPO,OSMP,SMP的一种可将测试频率范围扩展至IJ40GHZ ο测试工作频率范围扩展灵活,适用范围广的特点。
[0030]4)整体测试操作流程短,夹具安装简洁,操作简单,测试可重复性好。
【附图说明】
[0031 ]图1是测试夹具得横截面结构示意图;
[0032]图2是本发明的测试装置体系示意图;
[0033]图3是双向SMA接头结构剖视图;
[0034]图4是双向SMA接头结构左视图;
[0035]图5是转接头结构剖视图;
[0036]图6是转接头结构左视图;
[0037]图7是转接头结构右视图;
[0038]图8是样品室同轴内导体结构不意图;
[0039]图9是样品室结构不意图;
[0040]图中:I四孔法兰;2柱状筒形聚四氟乙烯;3双向SMA接头双母头同轴内导体;4螺钉;5防水橡胶垫圈;6转接头;7样品室;8样品室内导体;9矢量网络分析仪;10计算机;11测试连接线。
【具体实施方式】
[0041]为实现以上效果,下面结合附图与实施例对发明作进一步描述:
[0042]一种表征液体及固体材料介电特性的闭合同轴传输线测试系统,如图2所示,包括测试夹具、矢量网络分析仪9、计算机10和测试连接线11;测试夹具的横截面结构示意图如图1所示,测试夹具包括双向SMA接头(图3,4)、螺钉4、防水橡胶垫圈5、两端开口连通结构的转接头6(如图5,6,7)、具有电磁屏蔽效应的样品室7(如图9)、样品室内导体8(如图8)和待测样品。
[0043]所述的双向SMA接头由四孔法兰1、柱状筒形聚四氟乙烯2和双向SMA接头双母头同轴内导体3构成;双向SMA接头均为母头,母头两端均为外螺纹。将双向SMA接头双母头同轴内导体3插入已加工好的柱状筒形聚四氟乙烯2,然后将组装好的整体插入双向SMA接头外导体双头SMA螺纹带四孔法兰I,构成双向SMA接头;
[0044]双向SMA接头一侧通过双向SMA接头双母头同轴内导体与样品室内导体8插接相连,并通过螺纹与转接头6相接旋紧,并通过螺钉4经由双向SMA接头外导体双头SMA螺纹带四孔法兰I将整个双向SMA接头固定在转接头6上,另一侧通过测试连接线11与矢量网络分析仪9对应端口连接;转接头6的另一端通过内孔螺纹与样品室7接合,内孔螺纹末尾处为环形凹槽,用以安装环形防水橡胶垫圈5。双向SMA接头双母头同轴内导体3的两端母头尺寸参考SMA接头母头内导体尺寸制作,均含有对称开缝内陷的圆柱形孔,孔终端为同轴锥形孔。矢量网络分析仪9通过测试连接线11与闭合同轴传输线夹具连接,对待测样品进行测试;计算机10与矢量网络分析仪9连接,进行数据采集与计算分析。
[0045]采用上述闭合同轴传输线测试系统表征待测样品介电特性的方法,具体包括以下步骤:
[0046]第一步,准备测试仪器,采集数据
[0047]将计算机10与矢量网络分析仪9相连,获取来自测试仪器的数据;将测试连接线11与矢量网络分析仪9对应端口相接,用标准校准件对矢量网络分析仪9进行全双端口校正,校正完毕后保存校正数据到矢量网络分析仪9中。
[0048]第二步,测试双向SMA接头的S参数
[0049]将双向SMA接头与矢量网络分析仪9双端口的测试线11连接,通过对双向SMA接头的扫频测试获取双向SMA接头的全S参数Sa11、Sa21、Sa12、Sa22,并将矢量网络分析仪9测得的数据保存到计算机10,通过实际测试获得双向SMA接头的S参数。
[0050]第三步,组装测试夹具
[0051]从测试夹具的一侧开始组装,将双向SMA接头与转接头6—侧相连并旋紧,用螺钉4将SMA接头与转接头6固定,在转接头6另一侧与样品室7接合的内孔螺纹末尾环形凹槽内放入防水橡胶垫圈5。
[0052]测试夹具的另一侧将样品室内导体8与双向SMA接头相连,然后将双向SMA接头旋入转接头6对应连接SMA接头的一侧螺纹内,旋紧后用螺钉4将SMA接头与转接头6固定,保证后期夹具连接测试线时SMA接头不会发生额外转动;转接头6与品室7相接并旋紧,并放入防水橡胶垫圈5。
[0053]将待测样品放入样品室7内,将已组装好的转接头6与样品室7相接并旋紧。
[0054]第四步,测试待测样品
[0055]将测试夹具两端与连接矢量网络分析仪9两端口的测试线11相连并旋紧,对待测样品进行扫频测试,并将测得的夹具双端口全参数Smn、Sm21、Sm12、Sm22导入计算机10保存。
[0056]第五步,去除测试寄生效应与计算介电特性参数
[0057]通过将第二步测得的全S参数San、Sa21、Sa12、Sa22以及第四步测得的全S参数Smn、Sm21、Sm12、Sm22进行传输散射参数变换得到相应的T参数Ta11、Ta12、Ta21、Ta22和对应的!^、Tm21、Tm12、Tm22;通过链式传输矩阵计算去除双向SMA接头带来的测试寄生效应,得到纯粹测试样品的T参数Tdn、Td21、Td12、Td22,进而通过矩阵变换得到测试样品对应的全S参数Sdn、Sd21、Sd12、Sd22;利用得到的测试样品S参数通过传输反射法反演即可得到样品的复介电常数、复磁导率、样品损耗正切或品质因数。
[0058]对于对材料工作范围在射频到低于18GHz频段的测试,使用SMA接头即可满足测试的要求。对要求测试材料在更高频段(K频段、Ka频段、Q频段)的介电特性测试与表征则可以通过更换对应工作频段的接头种类(双向SSMA接头,双向GP0、0SMP或SMP接头)与对应的转接头以及相应的样品室同轴内导体来实现。以双向SSMA接头为例,当测试频率上限为38GHz时,可更换双向SSMA接头机及其对应的转接头和样品室同轴内导体,按实施例中的连接方式进行连接测试,可以实现测试系统可供测试频率范围的扩展。
[0059]本发明在设计上对于接头在测试中不可避免的测试耦合效应的去除更加方便,将夹具中不可去除的测试部分很好的耦合进夹具中的同时可以实现对于接头S参数的独立测试,通过使用已有的较准件校准后的仪器进行测试可以保证测试结果的准确性,同时设计上的密封性与夹具样品尺寸的要求保证了对于液体样品介电特性的表征。
【主权项】
1.一种表征液体及固体材料介电特性的闭合同轴传输线测试系统,其特征在于,该闭合同轴传输线测试系统包括测试夹具、矢量网络分析仪(9)、计算机(10)和测试连接线(II);所述的测试夹具包括双向SMA接头、螺钉(4)、防水橡胶垫圈(5)、两端开口连通结构的转接头(6)、具有电磁屏蔽效应的样品室(7)、样品室内导体(8)和待测样品; 所述的双向SMA接头一侧通过双向SMA接头双母头同轴内导体(3)与样品室内导体(8)插接相连,通过四孔法兰(I)将双向SMA接头固定在转接头(6)—端,另一侧通过测试连接线(11)与矢量网络分析仪(9)连接;所述的转接头(6)的另一端通过内孔螺纹与样品室(7)接合,转接头(6)内孔螺纹的末尾处为环形凹槽,安装环形防水橡胶垫圈(5);所述的矢量网络分析仪(9)通过测试连接线(11)与测试夹具连接,对待测样品进行测试;计算机(10)与矢量网络分析仪(9)连接,进行数据采集与计算分析;所述的样品室内导体(8)、双向SMA接头双母头同轴内导体(3)和样品室(7)处于同一中轴线,待测样品置于位于两个转接头(6)之间样品室(7)的内部环形腔内; 所述的双向SMA接头由四孔法兰(1)、柱状筒形聚四氟乙烯(2)和双向SMA接头双母头同轴内导体(3)构成,双向SMA接头均为母头,母头两端为外螺纹,柱状筒形聚四氟乙烯(2)填充在四孔法兰(I)与双向SMA接头双母头同轴内导体(3)之间;所述的柱状筒形聚四氟乙烯(2)的内直径等于双向SMA接头双母头同轴内导体(3)的直径,外直径等于双向SMA接头外导体的内直径,长度等于双向SMA接头双母头同轴内导体(3)的长度;所述的双向SMA接头双母头同轴内导体(3)的两端母头尺寸与SMA接头母头内导体相同,均含有对称开缝内陷的圆柱形孔,孔终端为同轴锥形孔,通过同轴锥形孔与样品室内导体(8)连接; 所述的样品室内导体(8)两端为插针,其尺寸与双向SMA接头双母头同轴内导体(3)两端的母头尺寸相配合,样品室内导体(8)除去插针的主体长度与样品室(7)相等,主体部分直径与双向SMA接头双母头同轴内导体(3)直径相等。2.根据权利要求1所述的闭合同轴传输线测试系统,其特征在于,所述的双向SMA接头、样品室(7)、转接头(6)、双向SMA接头双母头同轴内导体(3)和样品室内导体(8)均为奥氏体304不锈钢。3.根据权利要求1或2所述的闭合同轴传输线测试系统,其特征在于,双向SMA接头和样品室(7)的内表面,SMA接头内导体(3)和样品室内导体(8)的表面进行抛光处理。4.根据权利要求1或2所述的闭合同轴传输线测试系统,其特征在于,所述的待测样品为液体或固体材料。5.根据权利要求3所述的闭合同轴传输线测试系统,其特征在于,所述的待测样品为液体或固体材料。6.采用权利要求1-5任一所述的闭合同轴传输线测试系统表征待测样品介电特性的方法,其特征在于,具体包括以下步骤: 第一步,准备测试仪器,采集数据 将计算机(10)与矢量网络分析仪(9)相连,获取测试仪器数据;将测试连接线(11)与矢量网络分析仪(9)对应端口相接,用标准校准件对矢量网络分析仪(9)进行全双端口校正,校正完毕后保存校正数据到矢量网络分析仪(9)中; 第二步,测试双向SMA接头的S参数 将双向SMA接头与矢量网络分析仪(9)双端口的测试连接线(11)连接,对双向SMA接头进行扫频测试得到双向SMA接头的全S参数San、Sa21、Sa12、Sa22,并将矢量网络分析仪(9)测得的数据保存到计算机(10); 第三步,将待测样品放入样品室(7)内; 第四步,测试待测样品 通过测试连接线(11)将测试夹具与矢量网络分析仪(9)两端口连接,对待测样品进行扫频测试,并将测得的测试夹具的双端口全参数Smn、Sm21、Sm12、Sm22导入计算机(10)保存;第五步,去除测试寄生效应,计算介电特性参数 将第二步测得的全S参数San、Sa21、Sa12、Sa22进行传输散射参数变换得到相应的T参数Ta11、Ta12、Ta21、Ta22;将第四步测得的全S参数Sm11、Sm21、Sm12、Sm22进行传输散射参数变换得到相应的 T 参数 Tm11、Tm21、Tm12、Tm22 ; 通过链式传输矩阵计算去除双向SMA接头带来的测试寄生效应,得到待测样品的T参数1'(111、1'(121、1'(112、1'(122,再通过矩阵变换得到待测样品对应的全3参数3(111、3(121、3(112、3(122,全3参通过传输反射法反演得到待测样品的介电特性,所述的介电特性包括复介电常数、复磁导率、样品损耗正切或品质因数。
【文档编号】G01R27/26GK105929246SQ201610272097
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】拉塞尔, 孙振翔, 刘长睿, 柳丽芬, 孙守林
【申请人】大连理工大学
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