一种微波材料介电常数及电调率的测试装置及方法与流程

本发明涉及一种介电常数及电调率的测试装置，尤其涉及一种

微波材料介电常数及电调率的测试装置及方法。

背景技术：

材料的介电常数是介质材料最重要的一项参数之一，它直接反映出了介质材料的电磁特性，一直以来对介电常数的测量工作都被微波领域的广大工作者所重视。

国内外对介质材料微波特性的研究也比较多。介电常数的测试随着介质材料的广泛应用具有越来越重要的应用意义。

介电常数可调材料在可调微波器件、天线中具有重要的应用价值，如铁电陶瓷材料。在微波工程领域，铁电陶瓷的应用研究受到了广泛的关注。铁电陶瓷具有自发极化的特点，在外加电场的作用下，自发极化能够重新取向，相应的介电常数也会发生改变。

在铁电陶瓷材料的研究中，比较关注的就是铁电陶瓷的介电常数和电调率。电调率表征了铁电陶瓷材料介电常数在外加偏置电压下的变化率。

在材料微波电磁参数的测试研究中，因被测材料的外形尺寸不同、电气参数不同、物理状态不同、使用频段不同等，使得所用的测试方法和测试系统种类繁多，以满足各种测试材料的测试要求。不同的测试方法都有自身的测试适用范围和自身的优缺点。

介质材料电磁参数测量的方法有很多种，例如电容法，谐振腔体微扰法，波导传输法，介质谐振器法。

电容法一般适用于低频测量，通过测量所设计结构的电容值来计算材料的介电常数。波导传输法和谐振腔体微扰法可用来测量微波频段材料的介电常数，然而这两种测量方法中的金属外壁是相连的，因此无法进行高电压偏置。

介质谐振器法是通过测量圆柱体的本征谐振模式来反算材料的介电常数，其中最常用的是平行板介质谐振法。

在传统的平行板介质谐振法中，同轴探针放置于金属平行板中间，若对金属平板施加高电压，则会导致金属平板与探针之间的放电效应，因此该方法不适用于测量高压偏置下材料的介电常数。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为克服上述技术缺陷，提供一种高电压偏置下材料介电常数及电调率的测试装置，该装置能够消除金属平板与探针之间的放电效应，该装置能够测量高压偏置下材料的介电常数及其电调率，同时测量精度高。

本发明还提供了一种微波材料介电常数及电调率的测试方法。

本发明采用以下技术方案，一种微波材料介电常数及电调率的测试装置，包括平行设置的上金属平板及下金属平板，上金属平板与下金属平板之间设有介质谐振器,所述下金属平板的两端分别设有一个由金属板围成的矩形的空腔，空腔位于下金属平板的下方，每个空腔内设有同轴馈电探针。

以下是本发明的进一步改进：

所述介质谐振器为已知介电常数的空心圆柱体。

进一步改进：

已知介电常数的空心圆柱体压紧在上金属平板与第二金属平板之间。

进一步改进：

已知介电常数的空心圆柱体为氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷的介电常数为9-10之间，其介质损耗角小于0.001。

进一步改进：

两个同轴馈电探针与矢量网络分析仪电连接，上金属平板及下金属平板之间电连接高压发生器。

进一步改进：

围成空腔的金属板包括第一侧板、第二侧板及底板，第一侧板一体连接在下金属平板的端部，第一侧板与下金属平板垂直设置，第一侧板的下端一体连接有底板，底板与第一侧板垂直设置，底板上远离第一侧板的一端一体连接有第二侧板，第二侧板与底板垂直设置，第一侧板、第二侧板与底板之间形成空腔；

所述第二侧板上远离底板的一端一体连接有顶板，顶板与第二金属平板在同一平面上。

进一步改进：

矢量网络分析仪的两个射频端口分别接到测量装置的同轴馈电探针，分别作为射频接受与发射端。

进一步改进：

高压发生器的地端连接到下金属平板上作为整个装置的地端，这可以保证在测量中矢量网络分析仪始终处于零电势，进而确保测试的安全性。

一种微波材料介电常数及电调率的测试方法，包括如下步骤：

a、将待测材料制成圆柱形，形成待测圆柱型材料，将待测圆柱型材料放置在已知介电常数的空心圆柱体内，设置待测圆柱型材料的外径与已知介电常数的空心圆柱体的内径一致，待测圆柱型材料的高度与已知介电常数的空心圆柱体的高度一致；

b、高压发生器接通并产生高压， 在下金属平板与上金属平板之间形成直流电场， 该电场可改变待测圆柱型材料的介电常数，通过矢量网络分析仪测量介电常数；

c、零偏置电压下测得的介电常数为在最大偏置电压下测得材料介电常数为则待测材料的电调率T为：

。

本发明采用上述技术方案的装置及方法具有以下技术效果：

1）、该装置将同轴馈电探针内置于金属平板围成的空腔中，避免了高压电极与同轴馈电探针之间的放电效应，因此可用于测量高压偏置下材料的介电常数；

2）、为激励起待测圆柱型材料的谐振模式，同轴馈电探针内置于金属平板围成的空腔中，并且在同轴馈电探针与空腔底部之间形成矩形的短路波导，通过优化短路波导的尺寸可以使圆柱形介质发生谐振，进而测得其介电常数；

3）、可通过该装置对介质材料进行高压偏置，通过测量不同偏置电压下材料的介电常数，即可计算其电调率，同时可以达到较高的测量精度。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明中测量装置的结构示意图；

图2为本发明的测试原理图。

图中，1-待测圆柱型材料；2-已知介电常数的空心圆柱体；3-上金属平板；4-同轴馈电探针；5-短路矩形波导；6-下金属平板；7-第一侧板；8-第二侧板；9-底板；10-顶板；11-空腔；12-矢量网络分析仪；13-高压发生器。

具体实施方式

如图1-2所示，一种微波材料介电常数及电调率的测试装置，包

括平行设置的上金属平板3及下金属平板6，上金属平板3与下金属平板6之间设有介质谐振器。

所述介质谐振器为已知介电常数的空心圆柱体2。

已知介电常数的空心圆柱体2压紧在上金属平板3与第二金属平板6之间。

已知介电常数的空心圆柱体2为氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷的介电常数为9-10之间，其介质损耗角小于0.001。

所述下金属平板6的两端分别设有一个由金属板围成的矩形的

空腔11，空腔11位于下金属平板6的下方，每个空腔11内设有同轴馈电探针4，同轴馈电探针4与空腔11的底部之间形成短路矩形波导5，两个同轴馈电探针4与矢量网络分析仪电连接，上金属平板3及下金属平板6之间电连接高压发生器。

围成空腔11的金属板包括第一侧板7、第二侧板8及底板9，第一侧板7一体连接在下金属平板6的端部，第一侧板7与下金属平板6垂直设置，第一侧板7的下端一体连接有底板9，底板9与第一侧板7垂直设置，底板9上远离第一侧板7的一端一体连接有第二侧板8，第二侧板8与底板9垂直设置，第一侧板7、第二侧板8与底板9之间形成空腔11。

相比于传统的同轴馈电探针4放入平行金属板之间的馈电方式，本发明将同轴馈电探针4内置于金属板围成的空腔11中，可避免同轴馈电探针4与上下两块金属平板之间的放电效应。

所述第二侧板8上远离底板9的一端一体连接有顶板10，顶板10与第二金属平板6在同一平面上。

矢量网络分析仪12的两个射频端口分别接到测量装置的同轴馈电探针4，分别作为射频接受与发射端。

高压发生器13的地端连接到下金属平板6上作为整个装置的地端，这可以保证在测量中矢量网络分析仪始终处于零电势，进而确保测试的安全性。

一种微波材料介电常数及电调率的测试方法，包括如下步骤：

1）、将待测材料制成圆柱形，形成待测圆柱型材料1，将待测圆柱型材料1放置在已知介电常数的空心圆柱体2内，设置待测圆柱型材料1的外径与已知介电常数的空心圆柱体2的内径一致，待测圆柱型材料1的高度与已知介电常数的空心圆柱体2的高度一致；

2）、高压发生器13接通并产生高压， 在下金属平板6与上金属平板3之间形成直流电场， 该电场可改变待测圆柱型材料1的介电常数，通过矢量网络分析仪12测量介电常数；

3）、零偏置电压下测得的介电常数为在最大偏置电压下测得材料介电常数为则待测材料的电调率T为：

。

下面以高电压可调的铁电陶瓷材料为例，进行测试，已知介电常数的空心圆柱体2选择氧化铝陶瓷，其介电常数设为9.7，损耗角设为0.0005。

已知介电常数的空心圆柱体2的内直径为3.6mm，外直径为16mm，高度为7mm。测量时，待测圆柱型材料1需要放入已知介电常数的空心圆柱体2内部，因此其尺寸应与空心圆柱内部尺寸吻合，即待测圆柱测量直径为3.6mm，高度为7mm。

测得待测圆柱型材料1的介电常数从136变化到152，对应的电调率T=11.7%。