一种多频点材料测试系统及方法与流程

本公开涉及微波测量相关技术领域，具体的说，是涉及一种多频点材料测试系统及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

微波材料作为电磁波传输媒质已广泛的应用于微波的各个领域，比如微波电路、通信、雷达隐身等。微波材料的电磁参数完全决定了电磁波在其中的传播特性。准确了解电磁参数值，对于微波能的应用和材料在微波频段的各类应用是必不可少的。介质材料的电磁参数一般是指复介电常数和复磁导率，其中主要集中于其介电特性的研究，有关材料磁特性的测量只占少数，介电常数通常以复数形式ε(jω)＝ε′(jω)-jε″(jω)，它是描述材料和电磁场相互作用最基本的特征参数。

目前，材料的电磁参数测试方法按测量原理可分为传输线法、谐振腔法两大类。但这两种方法都各自存在一些问题，比如传输线法测试精度不高，制作样品不方便，并且校准精度要求高；谐振腔法是基于微扰法进行的测试，谐振腔体法的原理是将材料样品放入封闭或者开放的谐振腔体中，根据放入前后其谐振频率和品质因子q值的变化来确定样品复介电常数和复磁导率，通常是将样品置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品的复介电常数，用谐振腔法来测量材料的介电特性的优点是测试精度高。用来测量材料的介电特性缺点是只能进行点频测试，且由于杂模影响，可使用的测试频点少，可测带宽窄，对于高频的测试难度大。而且微扰法的谐振腔是圆柱或矩形的空心腔体结构，测量要满足被测样品的尺寸少于腔体尺寸的几十分之一，使得夹具尺寸太小，没有实用性。多频点测试需要在多个工作于不同频率的谐振腔内进行，这对于金属谐振腔无论是矩形的还是圆形的谐振腔都会大大增加测试成本，现有的谐振腔法测量材料的复介电常数，无法实现多频点测量。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种多频点材料测试系统及方法，根据同轴开式谐振腔的主模没有杂模干扰的优点，通过谐振频点的偏移推出被测材料的介电常数，再通过算法反推出更高频段内的谐振频点偏移后的大致所在位置，从而扩展了测试频率的范围。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种或多个实时例提供了一种多频点材料测试系统，包括矢量网络分析仪和同轴开式谐振腔；所述同轴开式谐振腔包括外导体、内导体、第一信号耦合环和第二信号耦合环；外导体为含有开口端的中空圆柱体，内导体为实心圆柱体，内导体固定在外导体的内部并与外导体同轴设置，开口端的开口的中心设置在内导体和外导体轴线上，开口的端面与内导体3和外导体2轴线垂直，所述内导体和外导体之间形成空腔并通过所述开口与外界相通形成开式的谐振腔，所述开口处用于放置待测材料；

所述第一信号耦合环和第二信号耦合环设置在外导体的内表面，所述同轴开式谐振腔通过第一信号耦合环和第二信号耦合环与矢量网络分析仪连接。

进一步的，所述外导体的开口端为圆台体形状，开口设置在圆台体的顶部，所述开口为圆形。

进一步的，所述内导体靠近开口的一端为圆锥体。

进一步的，所述内导体和外导体材料为铜。

一种或多个实时例提供了一种基于上述一种多频点材料测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1)通过矢量网络分析仪测得不放置材料时第p个模式temp模式下的空腔的谐振频率及品质因数，若n表示第n个tem波，此时n＝p,p为自然数，且p≤5；

2)分别测量temp模式下放置已知复介电常数的标准样品与被测样品时谐振频率和品质因数，标准样品至少为两个；

3)根据temp模式下测量的标准样品与被测样品的谐振频率和品质因数计算被测样品的复介电常数；

4)根据步骤3)计算的被测样品的复介电常数反推更高频的第q个模式temq波下的谐振频率偏移量，此时n＝q,q为自然数，q>p；

5)在第q个tem波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率和品质因数；

6)根据步骤5)测量的谐振频率和品质因数和步骤(3)的计算方法计算在第q个tem波模式下被测样品的介电常数。

进一步的，所述步骤3通过如下公式计算：

其中，n表示第n个tem波，m为样品号，δfmn＝fmn-f0n，a、t、g为中间变量。

进一步的，所述步骤(3)的计算方法具体为：

根据标准样品第n个tem波模式下测量的谐振频率和品质因数,通过公式(2)和公式(3)计算获得中间变量a、t、g的数值。

根据获得的中间变量a、t、g的数值以及被测样品的谐振频率和品质因数，计算在第n个tem波模式下被测样品的介电常数。

进一步的，所述步骤4)反推在temq模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量的步骤具体为：

4-1)根据同轴开式谐振腔高度与tem模的谐振频率关系和仿真获取第q个模式temq波下的空腔谐振频率的大概位置，通过矢量网络分析仪搜索测出temq模式下的空腔谐振频率和品质因数；

4-2)根据步骤4-1)测得的temq模式下的空腔谐振频率、temq模式下放置标准样品时的谐振频率和品质因数以及temp模式下计算被测样品的复介电常数的实部，计算在temq模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量。

进一步的，一种多频点材料的测试方法当p＝1时，包括如下步骤：

01)通过矢量网络分析仪测试不放置材料时tem1模式下的空腔的谐振频率f01及品质因数q01；

02)分别放置已知复介电常数(ε1'、ε1"、ε2'、ε2")的标准样品1,2及被测样品3时所获得的谐振频率f11、f21、f31及品质因数q11、q21、q31；

03)将f11、f21、q11、q21、ε1'、ε2'、ε1"、ε2"带入公式(2)和(3)获取中间变量a、t、g；

其中，n表示第n个tem波，m为样品号，δfmn＝fmn-f0n，a、t、g为中间变量；

将f31、q31以及计算得到的a、t、g带入公式(2)、(3)获得样品的复介电常数ε3'、ε3"；

04)根据步骤03)计算的被测样品的复介电常数ε3'、ε3"反推第n个模式temn波下的谐振频率偏移量δf3n，此时n>1；

5)在第n个tem波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量δf3n范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率f3n和品质因数q3n；

6)根据步骤5)测量的谐振频率f3n和品质因数q3n和步骤(3)的计算方法计算在第n个tem波模式下被测样品的介电常数ε3'、ε3"。

进一步的，所述步骤4)反推在temn模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量的步骤具体为：

041)通过同轴开式谐振腔高度与tem模的谐振频率关系和仿真可以获取第n个tem波的空腔谐振频率f0n的大概位置，通过矢量网络分析仪搜索测出temn模式下的空腔谐振频率f0n和品质因数q0n；

042)根据temn模式下的空腔谐振频率f0n、在tem1模式计算测得的ε3'以及temn模式下放置样品1、2时的测得的f1n、f2n、ε1'、ε2'、ε1"、ε2"带入公式(2)和(3)获取放置样品3时的大概频偏量δf3n。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开通过同轴开式谐振腔的主模没有杂模干扰的优点，通过谐振频点的偏移推出被测材料的介电常数，再通过算法反推出更高频段内的谐振频点偏移后的大致所在位置，在偏移的范围内通过矢量网络分析仪进行搜索测量，排除了高频段测量的杂模干扰，从而扩展了测试频率的范围，实现了多频点测量，对降低覆盖高频率的腔体的制作难度方面有重要意义。

(2)本公开设置的同轴开式谐振腔，在腔体的一端放置被测材料样品，适合多尺寸的样品测量，实用性高。

(3)本公开设置的同轴开式谐振腔的内外导体在开口处的结构设置，能够增强开口处的磁场强度，有利于材料的电磁参数的测量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是根据一个或多个实施方式的系统装置的结构示意图；

图2是本公开的多频点测量方法的流程图；

其中：1、矢量网络分析仪，2、外导体，3、内导体，4、开口端，5、样品，6、第一信号耦合环，7、第二信号耦合环。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种多频点材料测试系统，包括矢量网络分析仪1和同轴开式谐振腔；所述同轴开式谐振腔包括外导体2、内导体3、第一信号耦合环6和第二信号耦合环7；外导体2为含有开口端4的中空圆柱体，内导体3为实心圆柱体，内导体3固定在外导体2的内部并与外导体2同轴设置，开口端4的开口的中心设置在内导体3和外导体2轴线上，开口的端面与内导体3和外导体2轴线垂直，所述内导体和外导体之间形成空腔并通过所述开口与外界相通形成开式的谐振腔，所述开口处用于放置待测材料样品5，开口处是谐振腔中电场最小磁场最大的地方。

所述第一信号耦合环6和第二信号耦合环7设置在外导体2的内表面，所述同轴开式谐振腔通过第一信号耦合环6和第二信号耦合环7与矢量网络分析仪1连接。

作为进一步的改进。所述外导体2的开口端4可以为圆台体形状，开口设置在圆台体的顶部，所述开口为圆形。所述内导体3靠近开口的一端可以设置为圆锥体。所述内导体3和外导体2的材料可以为铜。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图2所示，一种基于上述一种多频点材料测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1)通过矢量网络分析仪测得不放置材料时第p个模式temp模式下的空腔的谐振频率及品质因数，n表示第n个tem波，此时n＝p,p为自然数，且p≤5；

2)分别测量temp模式下放置已知复介电常数的标准样品与被测样品时谐振频率和品质因数，标准样品至少为两个。

3)根据temp模式下测量的标准样品与被测样品的谐振频率和品质因数计算被测样品的复介电常数；所述步骤3)通过如下公式计算：

其中，n表示第n个tem波，m为样品号，δfmn＝fmn-f0n，a、t、g为中间变量。

所述步骤3)的计算方法具体为：

根据标准样品第n个tem波模式下测量的谐振频率和品质因数,通过公式(2)和公式(3)计算获得中间变量a、t、g的数值。

根据获得的中间变量a、t、g的数值以及被测样品的谐振频率和品质因数，计算在第n个tem波模式下被测样品的介电常数。

4)根据步骤3)计算的被测样品的复介电常数反推更高频的第q个模式temq波下的谐振频率偏移量，此时n＝q,q为自然数，q>p；反推偏移量的具体步骤如下：

4-1)根据同轴开式谐振腔高度与tem模的谐振频率关系和仿真获取第q个模式temq波下的空腔谐振频率的大概位置，通过矢量网络分析仪搜索测出temq模式下的空腔谐振频率和品质因数；在图1中的谐振腔中，同轴开式谐振腔高度与tem模的谐振频率关系为:

f0n＝c/(4·(2n-1)·l)(1)

其中，c为光速，c＝299792458米/秒，n表示第n个tem波，l为开式谐振腔的空腔的高度。使得n＝q,通过公式1的计算可以估算谐振频率f0q的大概值。

所述根据同轴开式谐振腔高度与tem模的谐振频率关系和仿真获取第q个模式temq波下的空腔谐振频率的大概位置，方法具体为：通过电磁仿真软件如hfss、cst等，按内外腔体尺寸进行建模，通过软件的仿真计算获得腔体的空腔谐振频率。

4-2)根据步骤4-1)测得的temq模式下的空腔谐振频率f0q、temq模式下放置标准样品时的谐振频率和品质因数以及temp模式下计算被测样品的复介电常数的实部，带入公式(2)和(3)，计算在temq模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量。

5)在第q个tem波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率和品质因数；

6)根据步骤5)测量的谐振频率和品质因数和步骤(3)的计算方法计算在第q个tem波模式下被测样品的介电常数。

当腔体材料为铜，腔体高度l与其tem模的谐振频率关系如式(1)所示，通过式(1)知道其不放置材料时空腔谐振频点的谐振频率，其中前几个模式的谐振频率一般没有杂模干扰，多数情况下在前5个模式的谐振频率无杂模干扰，后续tem模之间会有杂模干扰，该扩展方法可用前几个谐振频率来进行扩展，现以tem1模式下的频率来说明如何扩展测试频点。当p＝1时，选择的已知介电常数的标准样品为样品1和样品2，设定待测样品为样品3，本公开的多频点测试方法，包括如下步骤：

01)通过矢量网络分析仪测试不放置材料时tem1模式下的空腔的谐振频率f01及品质因数q01。

02)分别放置已知复介电常数(ε1'、ε1"、ε2'、ε2")的标准样品1,2及被测样品3时所获得的谐振频率f11、f21、f31及品质因数q11、q21、q31。

03)将f11、f21、q11、q21、ε1'、ε2'、ε1"、ε2"带入公式(2)和(3)获取中间变量a、t、g。

其中，n表示第n个tem波，m为样品号，δfmn＝fmn-f0n，a、t、g为中间变量。

将f31、q31以及计算得到的a、t、g带入公式(2)、(3)获得样品的复介电常数ε3'、ε3"。

04)根据步骤03)计算的被测样品的复介电常数ε3'、ε3"反推第n个模式temn波下的谐振频率偏移量δf3n，此时n>1。

所述步骤4)反推在temn模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量的步骤具体为：

041)通过同轴开式谐振腔高度与tem模的谐振频率关系和仿真可以获取第n个tem波的空腔谐振频率f0n的大概位置，通过矢量网络分析仪搜索测出temn模式下的空腔谐振频率f0n和品质因数q0n。

042)根据temn模式下的空腔谐振频率f0n、在tem1模式计算测得的ε3'以及temn模式下放置样品1、2时的测得的f1n、f2n、ε1'、ε2'、ε1"、ε2"带入公式(2)和(3)获取放置样品3时的大概频偏量δf3n。

5)在第n个tem波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量δf3n范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率f3n和品质因数q3n，在偏移量δf3n范围内搜索能够排出杂模干扰，提高测量的准确性。

6)根据步骤5)测量的谐振频率f3n和品质因数q3n和步骤(3)的计算方法计算在第n个tem波模式下被测样品的介电常数ε3'、ε3"。

本公开通过同轴开式谐振腔的主模没有杂模干扰的优点，通过谐振频点的偏移推出被测材料的介电常数，再通过算法反推出更高频段内的谐振频点偏移后的大致所在位置，从而扩展了测试频率的范围。本公开的多频点材料测试方法适用于大多数材料的测量，尤其适用于石英、聚四氟乙烯、蓝宝石、刚玉、陶瓷等介电特性随频率变化小的材料的测量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。