专利名称：可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种电介质材料的测试专用谐振腔及利用该谐振腔的测试方法，尤其是指一种电介质材料在200～1000MHz频段、可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔及测试方法。
背景技术：
在微波频率的低端，是通信、广播、电视、警戒雷达…等的应用频段。不管在地面上还是在卫星上，都需要大量用陶瓷介质制成的高功率滤波器、双(多)功器、功分器、定向耦合器…等微波器件。例如，蜂窝移动通信的基站，由于运行在高功率状态，只有介电常数对电场强度非线性小的介质，才能制造出低交叉调制失真电平的双工器。此外，研究信息功能陶瓷在微波频率下的非线性响应是研究材料微结构的重要手段之一。例如，研究铁电陶瓷在直流偏压作用下可逆介电非线性行为，以及频率、温度、应力等对它的影响…，能获得可逆介电非线性的产生机理，极性微区、微畴和电畴对宏观介电性能的影响，…等信息。但是，可施加直流偏压的微波介电参数测试装置报道甚少。
发明内容
本发明的目的是提供一种可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔及测试方法。
可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔具有同轴线，同轴线包括内导体和外导体，外导体一端设有上端盖，外导体另一端经下端盖与支座相接，中心空的下端盖内设有内导体和管状绝缘体、形成小容量圆环电容，内导体另一端设有支座，支座内设有连接器、绝缘体、弹簧、弹子，支座端部设有测微器，支座侧壁设有接线柱、经细导线与连接器相接，外导体另一端的直径两侧设有输入耦合环、微波激励信号、输出耦合环、谐振探测信号；下端盖与内导体间设有管状绝缘体，形成一个≤0.1pF的小容量圆环电容，用来实现同轴线下端的开路状态，以及可在内导体上施加直流偏压；上端盖为可拆结构，与内导体构成电容间隙；该电容间隙的距离，借助于底部的测微器-弹簧机构，在0～6mm内调节，适用于在电容间隙内置入、取出不同厚度的待测样品，以及在短路或不同间隙下的空腔测试；同轴线的内径(2b)与内导体外径(2a)之比，可以选择在b/a＝2.3～3.5之间；同轴线长度则按所需频率或点频数来设计，可在长度L＝120～580mm之间进行选择。
可施加直流偏压的分米波电介质测试方法包括如下步骤1)预测量调节底部的测微器将电容间隙短路，在100～1000MHz频段内测量各个谐振频率fn，按下式计算各频率下的等效同轴长度LeLe=2n+14cfn,]]>n＝0，1，2… (1)式中c是光速；fn是同轴线的谐振频率；2)在电容间隙中心放入两面涂银、容量为1.5～13.5pF的圆片样品(直径2r≤2a)，盖紧上端板，调节测微器使样品两涂银面与电容间隙的上、下极板处于很好的接触状态；3)测量含样品谐振腔的各个谐振频率fi和相应的有载Q因子Qi；4)取出样品，用测微器调节间隙距离、使其等于样品厚度，测量不含样品谐振腔的各个谐振频率fj和相应的有载Q因子Qj；5)按下述各式计算间隙总电容Ci＝[2πfiZ0tan[2πfi(Le-t)/c-(2n+1)π/2]]-1，Cj＝[2πfjZ0tan[2πfj(Le-t)/c-(2n+1)π/2]]-1。
(2)样品电容Cp=Ci-Cj+π(2r)24tϵ0,---(3)]]>复介电常数实部近似值ϵr′=Cp4tπϵ0(2r)2,---(4)]]>复介电常数实部(按迭代法求取)ϵr′J1(2πfirϵr′/c)J0(2πfirϵr′/c)=μ0ϵ0fitCpr.---(5)]]>介质损耗角正切tanδ=CiCp(1Qi-1Qjfjfi);---(6)]]>复介电常数虚部εr″＝εr′tanδ。
(7)上面诸式中2r为样品直径；t为样品厚度；Ji是第一类贝塞耳函数；μ0为真空磁导率；ε0为真空介电常数；c是光速；n＝0，1，2，…，当n＝0时，为最低的测试频率；Le是最接近样品测试频率下预先测定的等效同轴长度；Z0是同轴线的特征阻抗，有Z0=ln(b/a)2πϵ0/μ0=60ln(b/a).---(8)]]>
(6)上述测量步骤在施加或不施加直流偏压下进行；(7)上述测量得到的介质损耗含样品表面的银层损耗。如要扣除银层损耗，则须在样品表面没有银层的情况下，重复上述步骤(2)、(3)的测量，获得fi′、Qi′，按式(2)～式(6)得到Ci′、tanδ′后，用下式得到扣除银层损耗后的样品损耗角正切tanδd=CiCi′tanδ′.---(9)]]>本发明具有的有益效果由于同轴线的一端存在极小容量的圆环电容，在微波下处于开路状态，在直流下处于绝缘情况。同轴线的另一端，即上端电容间隙处，当不短路或放入样品时，同轴线的内、外导体也处于绝缘状态。因而可通过连接器在内导体上施加直流偏压，实现样品在不同直流偏压下的微波测量。
现说明一下用约0.1pF小电容实现开路的情况。利用短路同轴线-电容负载谐振腔的熟知公式Ztan2πλL=12πfC,---(10)]]>这时，如果取式中Z＝50Ω，C＝0.1pF；当f＝200MHz时，得L/λ＝0.249；当f＝1000MHz时，得L/λ＝0.245。可见非常接近开路，且在200～1000MHz运行频段内的最大波动为2％，并有按式(1)测得的等效Le应稍大于L，因而要进行等效同轴长度的预测量，以消除测量误差。
小电容开路方法优于用截止圆波导来实现同轴线开路的方法，它能消除截止圆波导中的TM01和TE11消逝波模所引起的、两个极其靠近的谐振点，从而大大提高了测量谐振频率和Q因子的准确度。
下面对本发明的设计及测试方法作原理性说明，从而得出其它的有益效果能测量高介电常数材料的样品；能扣除银层对介质损耗的影响；能在多个点频下测量材料参数。
如图1所示的开路同轴线-电容负载谐振腔的情况下，根据传输线理论，当忽略传输线损耗时，对于中、低损耗介质，其谐振条件为tan[2πfc(L-(2n+1)λ4)]=tan(2πfl/c)=1Z02πfC.---(11)]]>式中Z0是同轴线的特征阻抗；f是系统的谐振频率；L＝Le-t是同轴段的长度；t是样品厚度；λ＝c/f是波长；c是光速；n＝0，1，2，…当n＝0时，有最低的测试频率；l＝L-(2n+1)λ/4是等效于电容负载同轴短路谐振腔的同轴段长度，它随间隙总电容和谐振频率而变化。
式(11)是式(2)的另一种表示形式。这样，从第一次测得含样品的谐振频率fi，就可按式(11)得到间隙总电容Ci；从第二次测得不含样品、间隙距离等于样品厚度t的谐振频率fj，也可从式(11)得到间隙总电容Cj。因为两次测量是在同一间隙距离下进行的，样品以外的边缘电容基本相等，即有Ci=Cp+(2a)2-(2r)24tπϵ0+Ce,]]>Cj=(2a)24tπϵ0+Ce,]]>得到样品电容为Cp=Ci-Cj+(2r)24tπϵ0.---(3)]]>式中Ce是样品以外的边缘电容。
当材料的复介电常数不大、即样品中的电场均匀时，从平板电容得出复介电常数实部值为ϵr′=Cp4tπϵ0(2r)2.---(4)]]>当材料的复介电常数较大、即样品中的电场径向不均匀时，介质圆柱体是一径向传输线，在界面r处，从半径减小的方向看进去时，样品的电纳为2πfCp=ϵr′J1(2πrϵr′/λ)/J0(2πrϵr′/λ)·2πrϵ0/μ0/t,]]>从而复介电常数实部应满足下面的关系ϵr′J1(2πfirϵr′/c)J0(2πfirϵr′/c)=μ0ϵ0fitCpr.---(5)]]>上式中右边是已知的，故用迭代法可获得复介电常数实部。这样，就能测量复介电常数实部高达100的材料微波参数。
利用测得的有、无样品下的有载Q因子和有关电容，可以计算介质损耗角正切。对于测得的在频率fi下含样品时的有载Q因子，有1Qi=Petanδ+1Qc+1Qe,---(12)]]>式中Qc和Qe分别是由腔体的导体和腔外电路造成的Q因子；pe是电能充满因子。对于测得的在频率fj下不含样品时的有载Q因子，则有1Qj=1Qc′+1Qe′,---(13)]]>
考虑到Qc′≈Qc，Qe′≈Qe，以及pe＝Cp/Ci后，再把Qj换算到频率fi下，得到材料的介质损耗角正切为tanδ=CiCp(1Qi-1Qjfjfi).---(6)]]>如果上述测量是在样品表面含银层的情况下进行的，则式(6)应包括银层损耗。当测量改为在样品表面不含银层的情况下进行时，从第一次测得按式(11)得到间隙总电容Ci′应小于表面有银层的Ci，故有tanδ′=Ci′Cp(1Qi′-1Qjfjfi′),---(14)]]>这样，得到扣除银层损耗后的样品介质损耗角正切为tanδd=CiCi′tanδ′.---(9)]]>从式(11)可知，设计不同的同轴线长度L，可使谐振腔在1至4个点频下进行测量。例如，取L≈575mm、Z0＝75Ω、间隙电容约为12pF时，能在200～1000MHz频段内得到4个谐振频率，分别约为199.3MHz(同轴线下端长度为λ/4)、428.8MHz(下端长为3λ/4)、674.9MHz(下端长为5λ/4)和927.4MHz(下端长为7λ/4)。而取L≈122mm、间隙电容C在1.5～13.7pF范围内变化时，能在1000～700MHz频段内的某一点频下获得谐振。如C＝13.68pF，测得谐振频率约为700MHz，相应的l＝14.86mm；C＝1.46pF，测得谐振频率约是1000MHz，相应的l＝47.0mm；它们的同轴线下端长度都是λ/4。因此，同轴线长度可按所要求的频率或点频数来设计，可在长度L＝120～580mm之间进行选择。
从式(11)还知道，降低同轴线的阻抗Z0可以提高测量频率或被测电容。因有同轴线的特征阻抗Z0=ln(b/a)2πϵ0/μ0=60ln(b/a),---(8)]]>在微波频率，同轴线的阻抗常用50和75Ω，故可以在b/a＝2.3～3.5之间选择任何值来制作同轴线。
附图是可施加直流偏压的分米波介质测试专用谐振腔的结构示意图；图中上端盖1、电容间隙2、同轴线3、输入耦合环4、小容量圆环电容5、支座6、连接器7、绝缘体8、测微器9、弹簧10、细导线11、接线柱12、下端盖13、聚四氟乙烯套筒14、输出耦合环15、微波激励信号16、谐振探测信号17、弹子18。
具体实施例方式
如附图所示，可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔具有同轴线3，同轴线包括内导体和外导体，外导体一端设有上端盖1，外导体另一端经下端盖13与支座6相接，中心空的下端盖13内设有内导体和管状绝缘体14、形成小容量圆环电容5，内导体另一端设有支座6，支座内设有连接器7、绝缘体8、弹簧10、弹子18，支座端部设有测微器9，支座侧壁设有接线柱12、经细导线11与连接器相接，外导体另一端的直径两侧设有输入耦合环4、微波激励信号16、输出耦合环15、谐振探测信号17；下端盖与内导体间设有管状绝缘体，形成一个≤0.1pF的小容量圆环电容，用来实现同轴线下端的开路状态，以及可在内导体上施加直流偏压；上端盖为可拆结构，与内导体构成电容间隙；该电容间隙的距离，借助于底部的测微器-弹簧机构，可在0～6mm内调节，适用于在电容间隙内置入、取出不同厚度的待测样品，以及在短路或不同间隙下的空腔测试；同轴腔的内径(2b)与内导体外径(2a)之比，选择在b/a＝2.3～3.5之间；同轴线长度则按所需频率或点频数来设计，可在长度L＝120～580mm之间进行选择。
本发明可设计在1个到4个点频下运行的专用谐振腔。该谐振腔以同轴线3为主体、小容量(≤0.1pF)圆环电容5为下端、由上端盖1与内导体形成的电容间隙2为上端构成。上端盖1是可拆结构，用于在电容间隙内置入、取出待测样品。这里，若从同轴线的阻抗和腔体的Q因子综合考虑，可以选择在b/a＝2.3～3.5之间；同轴线长度则按所需频率或点频数来设计，即可在L＝120～580mm之间进行选择。例如，可以设计同轴线的内导体外径2a＝14.3mm(标称值)、外导体内径2b＝33mm(标称值)、长度L约580mm的腔体。小容量圆环电容5由下端盖13、同轴线3的内导体和聚四氟乙烯套筒14形成，电容间隙2的可变距离为0～6mm，由分辨率为0.001mm的测微器9、借助于支座6、连接器7、绝缘体8、弹簧10、弹子18来实现，以适应置入不同厚度的介质样品。该结构实为开路同轴线-电容负载谐振腔。在支座6的侧壁有一接线柱12，用细导线11将其与同轴线内导体相导通的连接器7接通，用于在样品上施加直流偏压。
用于激励谐振腔的微波信号可以采用锁相信号源或合成信号源，从输入耦合环4馈入；谐振探测-指示系统可以用纳瓦功率计或具有相似灵敏度与动态范围的检波-放大装置，接到输出耦合环15。当然也可以采用微波网络分析仪作为腔体的激励和接收系统。另外，图中标号16代表微波激励信号，标号17代表谐振探测信号。
同轴线的长度L愈长，谐振频率点愈多，第一个谐振频率愈向低频移动；间隙电容愈大，谐振频率愈低。例如，取L≈575mm、间隙电容约为12pF时，能在200～1000MHz频段内得到4个谐振频率。而L≈122mm、间隙电容在1.5～13.7pF范围内变化时，只能在1000～700MHz频段内的某一点频下获得谐振。
属于各种介电常数的中、低损耗介质材料，在施加直流偏压下的相对复介电常数εr＝εr′-jεr″＝εr′(1-jtanδ)测量用的开路同轴线-电容间隙谐振腔，以及在200～1000MHz频段各点频下使用该谐振腔的测试方法。当然，也可以在不施加直流偏压下进行上述测量。
根据上述原理给出设计好的两个分米波波段电介质材料测试系统中的开路同轴线-电容间隙谐振腔，包括内导体直径为2a，长度为L和外导体内径为2b的TEM模同轴腔，为获得腔体的最高Q因子，这里取b/a＝3.5。
第一个是在4个点频下运行的专用谐振腔。例如，取同轴线的内导体外径2a＝8.0mm(标称值)、外导体内径2b＝28mm(标称值)、间隙电容为12.3pF时，希望能在频率927.4MHz下得到谐振；从式(11)右边得到l＝9.33mm，再从该式左边的关系l＝L-(2n+1)λ/4中，在n＝0、即同轴线下端长度为λ/4下，获得L＝90.14mm时，就能实现在上述频率下的谐振；此外，若使L加长到251.77mm(n＝1，下端同轴长度为3λ/4)、413.40mm(n＝2，下端同轴长度为5λ/4)、或575.03mm(n＝3，下端同轴长度为7λ/4)时，都能在频率927.4MHz下得到谐振。这就是说，若设计同轴线的长度L＝90.14mm，就只能在一个频率，即927.4MHz下进行测量；若设计同轴线的长度L＝575.03mm，间隙电容为12.3pF时，则分别能在199.3MHz(下端同轴长度为λ/4)、428.8MHz(下端同轴长度为3λ/4)、674.9MHz(下端同轴长度为5λ/4)和927.4MHz(下端同轴长度为7λ/4)4个频率下进行测量；上述各个测试频率随间隙电容减小而升高。类似地，当采用较短的同轴线长度时，可得到2个或3个点频下运行的专用谐振腔。
对已加工好的同轴线长度L＝575mm(标称值)的谐振腔，调节底部的测微器将电容间隙短路，测得的5个谐振频率分别是130.04MHz(λ/4)、389.94MHz(3λ/4)、649.65MHz(5λ/4)、908.72MHz(7λ/4)和1168.74MHz(9λ/4)，按式(1)得到上述各频率下的等效同轴长度Le，其对应值是576.34mm、576.61mm、576.83mm、577.33mm和577.14mm。其相应的有载Q因子为1300～4000。在含样品下，测试是在与上述有差异的频率下进行的，这时，Le可用内插法获得，Q因子在不同频率的差异从式(6)、式(14)计及。
第二个设计的是在1个点频下运行的专用谐振腔。同轴线的内导体外径2a＝14.3mm(标称值)、外导体内径2b＝50mm(标称值)、长度L＝122.0mm(标称值)，当同轴线下端长度为λ/4、间隙电容为13.68pF时，约在700MHz获得谐振，而当间隙电容为1.46pF时，约在1000MHz获得谐振；这时它们相应的l＝14.86mm和l＝47.0mm；当间隙电容为13.7pF～1.46pF之间时，其谐振频率就落在700MHz到1000MHz之间；因而，只要制作不同电容的样品，就能得到不同频率下的材料参数。
该两个谐振腔的输入耦合环4与相应频段的微波合成信号源(或其它稳频信号源)连接，输出耦合环15与谐振探测-指示器(纳瓦功率计或直流放大器)连接，就构成测试系统，来进行各种测量。
为利用前述的专用谐振腔在200～1000MHz频段各点频下测量电介质材料的复介电常数，需预先进行等效同轴长度Le的测定。步骤如下例如，当设计的腔体的同轴长度L≈575mm时，调节底部的测微器将电容间隙短路，在100～1000MHz频段内测得4个谐振频率后，按下式计算各频率下的等效同轴长度Le，即Le=2n+14cfn,]]>n＝0，1，2…(1)式中c是光速；fn是同轴线的谐振频率。
为利用前述的专用谐振腔在200～1000MHz频段各点频下测量电介质材料复介电常数的方法包括如下步骤(1)在电容间隙中心放入两面涂银、容量为1.5～13.5pF的圆片样品，盖紧上端板，调节测微器使样品两涂银面与电容间隙的上、下极板处于很好的接触状态。
(2)测量含样品谐振腔的各个谐振频率fi和相应的有载Q因子Qi。
(3)取出样品，用测微器调节间隙距离、使其等于样品厚度，测量不含样品谐振腔的各个谐振频率fj和相应的有载Q因子Qj。
(4)按下述各式计算间隙总电容Ci＝[2πfiZ0tan[2πfi(Le-t)/c-(2n+1)π/2]]-1，Cj＝[2πfjZ0tan[2πfj(Le-t)/c-(2n+1)π/2]]-1。(2)样品电容Cp=Ci-Cj+π(2r)24tϵ0,---(3)]]>
复介电常数实部近似值ϵr′=Cp4tπϵ0(2r)2,---(4)]]>复介电常数实部(按迭代法提取)ϵr′J1(2πfirϵr′/c)J0(2πfirϵr′/c)=μ0ϵ0fitCpr.---(5)]]>介质损耗角正切tanδ=CiCp(1Qi-1Qjfjfi);---(6)]]>复介电常数虚部εr″＝εr′tanδ。
(7)上面诸式中2r为样品直径；t为样品厚度；Ji是第一类贝塞耳函数；μ0为真空磁导率；ε0为真空介电常数；c是光速；n＝0，1，2，…，当n＝0时，为最低的测试频率；Le是最接近样品测试频率下预先测定的等效同轴长度；Z0是同轴线的特征阻抗，有Z0=ln(b/a)2πϵ0/μ0=60ln(b/a).---(8)]]>(5)上述测量步骤可以在施加或不施加直流偏压下进行。
(6)上述测量得到的介质损耗含样品表面的银层损耗。如要扣除银层损耗，则须在样品表面没有银层的情况下重复上述步骤(1)、(2)的测量，获得fi′、Qi′，按式(2)～式(6)得到Ci′、tanδ′后，用下式得到扣除银层损耗后的样品损耗角正切tanδd=CiCi′tanδ′.---(9)]]>现对上述测试方法的计算公式作原理性说明。
设计前述的、如图1所示的专用谐振腔，即开路同轴线-电容负载谐振腔，根据传输线理论，当忽略传输线损耗时，对于中、低损耗介质，其谐振条件为tan[2πfc(L-(2n+1)λ4)]=tan(2πfl/c)=1Z02πfC.---(11)]]>式中Z0是同轴线的特征阻抗；f是系统的谐振频率；L＝Le-t是同轴段的长度；t是样品厚度；λ＝c/f是波长；c是光速；n＝0，1，2，…当n＝0时，有最低的测试频率；l＝L-(2n+1)λ/4是等效于电容负载同轴短路谐振腔的同轴段长度，它随间隙总电容和谐振频率而变化。
式(11)是式(2)的另一种表示形式。这样，从第一次测得含样品的谐振频率fi，就可按式(11)得到间隙总电容Ci；从第二次测得不含样品、间隙距离等于样品厚度t的谐振频率fj，也可从式(11)得到间隙总电容Cj。因为两次测量是在同一间隙距离下进行的，样品以外的边缘电容基本相等，即有Ci=Cp+(2a)2-(2r)24tπϵ0+Ce,]]>Cj=(2a)24tπϵ0+Ce,]]>得到样品电容为Cp=Ci-Cj+(2r)24tπϵ0.---(3)]]>式中Ce是样品以外的边缘电容。
当材料的介电常数不大、即样品中的电场均匀时，从平板电容得出复介电常数实部值为ϵr′=Cp4tπϵ0(2r)2.---(4)]]>当材料的介电常数较大、即样品中的电场径向不均匀时，介质圆柱体是一径向传输线，在界面r处，从半径减小的方向看进去时，样品的电纳为2πfCp=ϵr′J1(2πrϵr′/λ)/J0(2πrϵr′/λ)·2πrϵ0/μ0/t,]]>从而复介电常数实部应满足下面的关系ϵr′J1(2πfirϵr′/c)J0(2πfirϵr′/c)=μ0ϵ0fitCpr.---(5)]]>上式中右边是已知的，故用迭代法可获得复介电常数实部。这样，就能测量复介电常数实部高达100的材料微波参数。
利用测得的有、无样品下的有载Q因子和有关电容，可以计算介质损耗角正切。对于测得的在频率fi下含样品时的有载Q因子，有1Qi=Petanδ+1Qc+1Qe,---(12)]]>式中Qc和Qe分别是由腔体的导体和腔外电路造成的Q因子；pe是电能充满因子。对于测得的在频率fj下不含样品时的有载Q因子，则有1Qj=1Qc′+1Qe′,---(13)]]>考虑到Qc′≈Qc，Qe′≈Qe，以及pe＝Cp/Ci后，再把Qj换算到频率fi下，得到材料的介质损耗角正切为tanδ=CiCp(1Qi-1Qjfjfi).---(6)]]>
如果上述测量是在样品表面含银层的情况下进行的，则式(6)应包括银层损耗。当测量改为在样品表面不含银层的情况下进行时，从第一次测得按式(11)得到间隙总电容Ci′应小于表面有银层的Ci，故有tanδ′=Ci′Cp(1Qi′-1Qjfjfi′),---(14)]]>这样，得到扣除银层损耗后的样品介质损耗角正切为tanδd=CiCi′tanδ′.---(9)]]>本发明的测量步骤(1)组成测试系统在输入耦合环4处接上微波合成信号源或微波网络分析仪的信号输出端，在输出耦合环15处接上Agilent-E4418B(配传感器8481D)功率计或微波网络分析仪的信号探测端。即微波网络分析仪处于S21的测量状态。
(2)对样品的要求在样品直径2r≤2a、样品厚度t≤6mm的情况下，调节2r和t使其电容量落在5～10pF范围内、直径不圆度为±0.01mm、厚度不平度为为±0.001mm时，可获得最佳的测量状态。
如要求扣除样品表面的银层损耗，则需同时制备同一尺寸的表面涂银和表面没有银层的两种样品。
(3)预测量调节底部的测微器将电容间隙短路，在100～1000MHz频段内测量各个谐振频率fn，按式(1)计算各频率下的等效同轴长度Le。
(4)含样品谐振腔的测量在电容间隙中心放入两面涂银、容量为1.5～13.5pF的圆片样品，盖紧上端板，调节测微器使样品两涂银面与电容间隙的上、下极板处于很好的接触状态；在接线柱12处施加所需的直流电压；测量各个谐振频率fi和相应的有载Q因子Qi。
(5)不含样品谐振腔的测量取出样品，用测微器调节间隙距离、使其等于样品厚度；再次测量各个谐振频率fj和相应的有载Q因子Qj。
(6)计算用上述步骤(4)和(5)测得的谐振频率fi和fj，按式(2)得到间隙总电容Ci和Cj；接着从式(3)得到得到样品电容Cp，从式(4)得到复介电常数实部的近似值；按式(5)以迭代法获得复介电常数实部εr′。从测得的Qi和Qj按式(6)得到材料的介质损耗角正切tanδ。从式(7)得到复介电常数虚部εr″。
(7)扣除银层损耗的附加测量在电容间隙中心放入与上述同尺寸、两面无银层的样品，重复上述步骤(4)、(5)和(6)，获得fi′、Qi′，按式(2)～式(6)得到Ci′、tanδ′后，再按式(9)得到扣除银层损耗后的样品介质损耗角正切tanδd。
权利要求
1.一种可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔，其特征在于，它具有同轴线(3)，同轴线包括内导体和外导体，外导体一端设有上端盖(1)，外导体另一端经下端盖(13)与支座(6)相接，中心空的下端盖(13)内设有内导体和管状绝缘体(14)、形成小容量圆环电容(5)，内导体另一端设有支座(6)，支座内设有连接器(7)、绝缘体(8)、弹簧(10)、弹子(18)，支座端部设有测微器(9)，支座侧壁设有接线柱(12)、经细导线(11)与连接器相接，外导体另一端的直径两侧设有输入耦合环(4)、微波激励信号(16)、输出耦合环(15)、谐振探测信号(17)；下端盖与内导体间设有管状绝缘体，形成一个≤0.1pF的小容量圆环电容，用来实现同轴线下端的开路状态，以及可在内导体上施加直流偏压；上端盖为可拆结构，与内导体构成电容间隙；该电容间隙的距离，借助于底部的测微器-弹簧机构，在0～6mm内调节；同轴线的内径(2b)与内导体外径(2a)之比为b/a＝2.3～3.5；同轴线长度为L＝120～580mm。
2.一种利用权利要求1所述的专用谐振腔的可施加直流偏压的分米波介质测试方法，其特征是在于，它包括如下步骤1)预测量调节底部的测微器将电容间隙短路，在100～1000MHz频段内测量各个谐振频率fn，按下式计算各频率下的等效同轴长度LeLe=2n+14cfn,n=0,1,2···---(1)]]>式中c是光速；fn是同轴线的谐振频率；2)在电容间隙中心放入两面涂银、容量为1.5～13.5pF的圆片样品，盖紧上端板，调节测微器使样品两涂银面与电容间隙的上、下极板处于接触状态；3)测量含样品谐振腔的各个谐振频率fi和相应的有载Q因子Qi；4)取出样品，用测微器调节间隙距离、使其等于样品厚度，测量不含样品谐振腔的各个谐振频率fj和相应的有载Q因子Qj；5)按下述各式计算间隙总电容Ci＝[2πfiZ0tan[2πfi(Le-t)/c-(2n+1)π/2]]-1，Cj＝[2πfjZ0tan[2πfj(Le-t)/c-(2n+1)π/2]]-1。
(2)样品电容Cp=Ci-Cj+π(2r)24tϵ0,---(3)]]>复介电常数实部近似值ϵr′=Cp4tπϵ0(2r)2,---(4)]]>复介电常数实部，按迭代法求取ϵr′J1(2πfirϵr′/c)J0(2πfirϵr′/c)=μ0ϵ0fitCpr.---(5)]]>介质损耗角正切tanδ=CiCp(1Qi-1Qjfjfi);---(6)]]>复介电常数虚部ϵr′′=ϵr′tanδ.---(7)]]>上面诸式中2r为样品直径；t为样品厚度；Ji是第一类贝塞耳函数；μ0为真空磁导率；ε0为真空介电常数；c是光速；n＝0，1，2，…，当n＝0时，为最低的测试频率；Le是最接近样品测试频率下预先测定的等效同轴长度；Z0是同轴线的特征阻抗；(6)上述测量步骤在施加或不施加直流偏压下进行；(7)上述测量得到的介质损耗含样品表面的银层损耗。如要扣除银层损耗，则须在样品表面没有银层的情况下，重复上述步骤(2)、(3)的测量，获得fi′、Qi′，按式(2)～式(6)得到Ci′、tanδ′后，用下式得到扣除银层损耗后的样品损耗角正切tanδd=CiCi′tanδ′.---(9)]]>
全文摘要
本发明公开了一种可施加直流偏压的分米波电介质测试专用谐振腔及测试方法。它属于开路同轴线－电容间隙谐振腔，运行频率为0.2～1GHz。同轴腔体的下端盖与内导体间有管状绝缘体，形成一个很小容量的圆环电容，来实现同轴线下端的开路状态；因而可在样品上施加直流偏压。同轴腔的上端盖与内导体构成0～6mm可调节的电容间隙，可测量不同厚度、不同直径、电容量为1.5～13.5pF的介质样品。设计不同的同轴线长度，可在1至4个点频下进行测量。测出含样品与不含样品下谐振腔的各个谐振频率和相应的有载Q因子，按有关公式提取复介电常数。该系统没有寄生谐振，由于计及样品径向电场的不均匀特性，故能测量相对介电常数高达100的材料微波参数。
文档编号G01R27/04GK101034116SQ20061015463
公开日2007年9月12日 申请日期2006年11月13日 优先权日2006年11月13日
发明者倪尔瑚, 朱永花 申请人:浙江大学