用于介质材料的介电性能变温自动测试系统及方法与流程

[0001]
本发明涉及材料测试技术领域，尤其涉及用于介质材料的介电性能变温自动测试系统及方法。


背景技术：

[0002]
随着通信技术的发展，材料的使用环境中的波谱频率越来越高、应用环境越来越复杂，如天线的使用环境可从-40℃—125℃，随之对材料提出了更高的要求，主要是介电性能、稳定性方面的要求。介电性能方面需要的主要是高介电常数、低损耗及低介电常数、低损耗的材料，稳定性方面主要指的是温湿度稳定性等方面。由于介电性能随温度会随之发生变化，因此准确得到材料在不同温度环境下的介电性能，如介电常数温度系数、谐振频率温度系数等变得尤为重要。
[0003]
目前，介电性能变温测试方法主要有网络参数法、高q腔法、传输线谐振法等，但是这些方法工作频段较低，难以满足毫米波频段的测试。而准光腔法常用于测试低损耗材料，具有测试谐振频率高、品质因数高的特点，可以用来测试高频、低损耗材料。电子科技大学郭高凤等《一种基于准光学开放式共聚焦电磁波谐振腔的介质材料介电性能变温测量装置》，发明了一种加热效率高、可变温度范围宽(室温到2000℃上)，但该装置无法测试低温环境下的介电性能，且无法进行自动测试，测试效率相对较低。
[0004]
因此，如何建立一套能够在高频、低损耗、高低温环境下测试材料的介电性能的测试方案，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试系统及方法，能够在高频、低损耗、高低温环境下测试材料的介电性能。
[0006]
一方面，本发明实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试系统，其特征在于，包括：开放式共聚焦电磁波谐振腔，高低温试验箱，网络分析仪以及控制装置，
[0007]
所述开放式共聚焦电磁波谐振腔放置于所述高低温试验箱的腔体内部，用于放置待测试材料；
[0008]
所述高低温试验箱，用于对所述开放式共聚焦电磁波谐振腔进行加热并保温；同时，所述高低温试验箱与所述控制装置连接，用于设置目标测试温度、保温时间，以实现自动化操作；所述目标测试温度包括零下温度和零上温度；
[0009]
所述网络分析仪与所述开放式共聚焦电磁波谐振腔连接，用于控制所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的谐振频率，并获取所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的谐振频率以及品质因数；
[0010]
所述控制装置与所述网络分析仪连接，用于自动获取网络分析仪测试的谐振频率及品质因数并自动计算介电常数、介电损耗角正切值。
[0011]
进一步地，所述控制装置具体用于：控制所述高低温试验箱到达目标测试温度后
保温预设时长，在预设频率范围内对多个频率点进行空腔校正，并获取所述范围内的多个空腔谐振频率以及与所述空腔谐振频率对应的校正品质因数；
[0012]
进一步地，所述控制装置还用于：当所述待测试材料放入所述开放式共聚焦电磁波谐振腔后，获取所述高低温试验箱达到所述目标测试温度并保温预设时长后所述网络分析仪记录的多个有载谐振频率以及与所述多个有载谐振频率对应的有载品质因数；利用所述空腔谐振频率、所述空腔品质因数、所述有载谐振频率以及所述有载品质因数确定所述待测试材料的介电性能数值。
[0013]
进一步地，所述预设频率范围为20-43.5ghz。
[0014]
进一步地，所述开放式共聚焦电磁波谐振腔包括第一球面镜和第二球面镜；
[0015]
所述第一球面镜和所述第二球面镜的热膨胀系数小于预设值。
[0016]
进一步地，所述高低温试验箱的工作温度范围为：-180℃—300℃；
[0017]
所述高低温试验箱的控制精度在
±
1℃以内；
[0018]
所述高低温试验箱采用pid控制装置驱动ssr固态继电器进行加热。
[0019]
进一步地，所述谐振频率的计算公式如下：
[0020][0021]
其中，fq为放置待测试材料后的腔谐振频率，单位hz；
[0022]
c为光速，c＝3
×
10
11
mm/s；
[0023]
dq为待测试材料到凹面镜的距离值，单位mm；
[0024]
q为所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的轴向模式数；
[0025]
d为开放式共聚焦电磁波谐振腔的两球面镜之间的距离；
[0026]
r0为球面镜的曲率半径。
[0027]
进一步地，所述开放式共聚焦电磁波谐振腔同时存在对称电场与非对称电场；
[0028]
对于对称电场，所述介电常数的计算公式如下：
[0029][0030]
ε
′
＝n2；
[0031]
对于非对称电场，所述介电常数的计算公式如下：
[0032][0033]
ε
′
＝n2；
[0034]
其中，ε
′
为介电常数；
[0035]
k＝2πf
s
/c；
[0036][0037]
t为所述待测试材料的厚度值；
[0038]
[0039][0040][0041][0042]
d＝d
q-t；
[0043][0044]
n为折射率；
[0045]
r0为开放式共聚焦电磁波谐振腔的凹球面镜的曲率半径，单位mm；
[0046]
q为所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的的轴向模式数；
[0047]
fq为加载所述待测试材料后的腔谐振频率，单位hz；
[0048]
ω0为束腰半径，单位为mm；
[0049]
c为光速，c＝3
×
10
11
mm/s；
[0050]
dq为所述待测试材料到凹面镜的距离，单位mm；
[0051]
fs为有载谐振频率，单位hz；
[0052]
ω(z)为距离平面镜高度z时的束腰半径，单位为mm。
[0053]
进一步地，所述损耗角正切值的计算公式如下：
[0054][0055]
式中：
[0056][0057][0058]
对于对称电场：
[0059]
对于非对称电场：
[0060]
q
d
为放入待测试材料后的品质因数；
[0061]
q
l
为放入理想无耗样品的品质因数；
[0062]
q0为空腔的无载品质因数。
[0063]
另一方面，本发明实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试方法，应用于上述任一种所述的用于介质材料的介电性能变温自动测试系统，包括：
[0064]
高低温试验箱对所述开放式共聚焦电磁波谐振腔进行加热并保温；其与所述控制装置连接，用于设置目标测试温度、保温时间，以实现自动化操作；所述目标测试温度包括零下温度和零上温度；
[0065]
网络分析仪控制所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的谐振频率，并获取所述开放式
共聚焦电磁波谐振腔的谐振频率以及品质因数；
[0066]
所述控制装置自动获取网络分析仪测试的谐振频率及品质因数并自动计算介电常数、介电损耗角正切值。
[0067]
本发明实施例提供的用于介质材料的介电性能变温自动测试系统及方法，通过计算机中安装的自动测试软件，可控制高低温箱及网络分析仪，实现测试温度及保温时间的设定，同时实现测试软件自动读取网络分析仪中的f、q参数，自动计算介电常数、介电损耗正切值等介电性能参数，能够在高频、低损耗、高低温环境下方便地测试材料的介电性能。
附图说明
[0068]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0069]
图1为本发明实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试系统的组成示意图；
[0070]
图2为本发明又一实施例提供的一种用于介质材料的介电性能变温自动测试方法的流程图。
[0071]
附图标记：
[0072]
开放式共聚焦电磁波谐振腔1、高低温试验箱2、待测试材料3、网络分析仪4、控制装置5、输入波导6、输出波导7。
具体实施方式
[0073]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074]
下面结合图1描述本发明实施例的用于介质材料的介电性能变温自动测试系统。
[0075]
图1为本发明实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试系统的组成示意图。
[0076]
本发明实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试系统，包括：开放式共聚焦电磁波谐振腔1，高低温试验箱2，网络分析仪4以及控制装置5，所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1放置于所述高低温试验箱2的腔体内部，用于放置待测试材料3；所述高低温试验箱2，用于对所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1进行加热并保温；同时，所述高低温试验箱2与所述控制装置5连接，用于设置目标测试温度、保温时间，已实现自动化操作；所述目标测试温度包括零下温度和零上温度；所述网络分析仪4与所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1连接，用于控制所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1的谐振频率，并获取所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1的谐振频率以及品质因数；所述控制装置5与所述网络分析仪4连接，用于自动获取网络分析仪4测试的谐振频率及品质因数并自动计算介电常数、介电损耗角正切值。
[0077]
具体地，所述网络分析仪4与所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1连接，用于控制所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1的谐振频率，并获取所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1的谐振频率以及品质因数；所述控制装置5与所述网络分析仪4连接；控制所述高低温试验箱2到达目标测试温度后保温预设时长，在预设频率范围内对多个频率点进行空腔校正，并获取所述范围内的多个空腔谐振频率以及与所述空腔谐振频率对应的校正品质因数；当所述待测试材料3放入所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1后，获取所述高低温试验箱2由第一预设温度升到所述目标测试温度并保温预设时长后所述网络分析仪4记录的多个有载谐振频率以及与所述多个有载谐振频率对应的有载品质因数；利用所述空腔谐振频率、所述空腔品质因数、所述有载谐振频率以及所述有载品质因数确定所述待测试材料3的介电性能参数值所述高低温试验箱的工作温度范围为：-180℃—300℃；所述目标测试温度在所述高低温试验箱的工作温度范围内变动。
[0078]
更具体地，所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1为开放式共聚焦电磁波谐振腔1，该开放式共聚焦电磁波谐振腔1的输入波导6进行驱动，而输出波导7将该开放式共聚焦电磁波谐振腔1的反馈信息经同轴电缆输出到矢量网络分析仪4，形成测试回路。控制装置5中安装有自动测试软件，可控制高低温箱及网络分析仪4，实现测试温度、及保温时间的设定，同时实现测试软件自动读取网络分析仪4中的谐振频率f以及品质因数q参数，进而利用设备参数结合检测到的数据自动计算介电常数、介电损耗正切值等介电性能值。
[0079]
高低温试验箱2的工作温度可以从-180—300℃，从而可以满足民用商品工作环境温度的需求，高低温试验箱2的温度控制采用pid控制器驱动ssr(固态继电器，solid state relay)，温度控制精度为
±
1℃，与电感应加热相比，具有温度波动小、准确性好的特点；而开放式共聚焦电磁波谐振腔1的两个球面镜采用特殊材料制成，该特殊材料具有热膨胀系数小的特点，可以在工作温度环境下重复测试多次而不发生变，而变形严重影响测试结果，可延长开放式共聚焦电磁波谐振腔1的使用寿命。具体地，述开放式共聚焦电磁波谐振腔1为开放式共聚焦电磁波谐振腔1时，该开放式共聚焦电磁波谐振腔1包括第一球面镜和第二球面镜；所述第一球面镜和所述第二球面镜的热膨胀系数小于预设值。具体地，在设置预设频率范围时，可以设置为20-43.5ghz，当然，也可以设置其他的频率范围，本发明实施例不做限制。
[0080]
利用开放式共聚焦电磁波谐振腔可以得到较高的品质因数，其测试精度较高，且可以在较宽的频带内进行多个频率点的连续测试。同时高低温试验箱测试温度范围为-180—300℃，温度控制精度为
±
1℃，具有温度波动小、温度准确性好的特点。开放式共聚焦电磁波谐振腔的两个球面镜采用特殊材料制成，具有热膨胀系数小的特点，可以在工作温度环境下重复测试多次而不发生变形，可延长谐振腔的使用寿命；控制装置中安装的自动测试软件，可控制高低温箱及网络分析仪，实现测试温度及保温时间的设定，同时实现测试软件自动读取网络分析仪中的f、q参数，自动计算介电常数、介电损耗正切值的功能。
[0081]
在利用本发明实施例提供的用于介质材料的介电性能变温自动测试系统对介电材料进行介电性能变温测试的具体步骤如下：
[0082]
1.仪器预热：将开放式共聚焦电磁波谐振腔1放入高低温试验箱2中，打开网络分析仪4，预热网络分析仪4半小时以上；
[0083]
2.空腔校正：打开高低温试验箱2，打开控制装置5中的计算机软件，在计算机软件
中设置测试温度、保温时间，并且控制高低温试验箱2达到该测试温度并且保温一段时间后自动进行空腔校正，由计算机软件自动记录网络分析仪4测试得到的参数谐振频率f0以及品质q0；
[0084]
3.放置待测试材料3：待高低温箱温度至常温后将待测试材料放置到开放式共聚焦电磁波谐振腔1的中心位置；
[0085]
4.待测试材料3测试：计算机软件中设置测试温度、度及保温时间(参数同步骤2)，达到测试温度并保温一段时间后进行待测试材料3测试，由计算机软件自动记录有载谐振频率fs及品质因数qs；
[0086]
5.由计算机软件根据记录的f0、q0及fs、qs结合设备自身的参数自动计算介电材料的介电常数和介电损耗正切值。
[0087]
在具体进行介电性能参数值的计算式，介电性能参数值可以包括谐振频率和/或介电常数和/或损耗角正切值。当然，也可以是其他的介电性能参数值。
[0088]
更进一步地，谐振频率的计算公式如下：
[0089][0090]
其中，fq为放置待测试材料3后的腔谐振频率，单位hz；
[0091]
c为光速，c＝3
×
10
11
mm/s；
[0092]
dq为待测试材料3到凹面镜的距离值，单位mm；
[0093]
q为所述开放式共聚焦电磁波谐振腔1的轴向模式数；
[0094]
d为两球面镜之间的距离；
[0095]
r0为球面镜的曲率半径。
[0096]
更具体地，所述开放式共聚焦电磁波谐振腔同时产生的对称电场与非对称电场；
[0097]
对于对称电场，所述介电常数的计算公式如下：
[0098][0099]
ε
′
＝n2；
[0100]
对于非对称电场，所述介电常数的计算公式如下：
[0101][0102]
ε
′
＝n2；
[0103]
其中，ε
′
为介电常数；
[0104]
k＝2πf
s
/c；
[0105][0106]
t为所述待测试材料的厚度值；
[0107][0108]
[0109][0110][0111]
d＝d
q-t；
[0112][0113]
n为折射率；
[0114]
r0为开放式共聚焦电磁波谐振腔的凹球面镜的曲率半径，单位mm；
[0115]
q为所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的的轴向模式数；
[0116]
fq为加载所述待测试材料后的腔谐振频率，单位hz；
[0117]
ω0为束腰半径，单位为mm；
[0118]
c为光速，c＝3
×
10
11
mm/s；
[0119]
dq为所述待测试材料到凹面镜的距离，单位mm；
[0120]
fs为有载谐振频率，单位hz；
[0121]
ω(z)为距离平面镜高度z时的束腰半径，单位为mm。
[0122]
更具体地，所述损耗角正切值的计算公式如下：
[0123][0124]
式中：
[0125][0126][0127]
对于对称电场：
[0128]
对于非对称电场：
[0129]
其中，q
d
为放入待测试材料3后的品质因数；q
l
为放入理想无耗样品的品质因数；q0为空腔的无载品质因数。
[0130]
上述的计算公式只是本发明实施例提供的一部分介电性能值的计算公式，本发明实施例提供的用于介质材料的介电性能变温自动测试系统还可以计算其他的介电性能参数值，这里不再一一列举。
[0131]
本发明专利提供一种介电材料介电性能的变温测试方法，主要特点在于利用开放式共聚焦电磁波谐振腔可以得到较高的品质因数，其测试精度较高，且可以在较宽的频带内进行多个频率点的测试。同时高低温试验箱测试温度范围为-180—300℃，温度控制精度为
±
1℃，具有温度波动小、温度准确性好的特点。开放式共聚焦电磁波谐振腔的两个球面镜采用特殊材料制成，具有热膨胀系数小的特点，可以在工作温度环境下重复测试多次而不发生变形，可延长开放式共聚焦电磁波谐振腔的使用寿命；控制装置5中安装的自动测试
软件，可控制高低温箱及网络分析仪，实现测试温度、保温时间的设定，同时实现测试软件自动读取网络分析仪中的谐振频率f、品质因数q参数，自动计算介电常数、介电损耗正切值的功能。
[0132]
下面对本发明实施例提供的用于介质材料的介电性能变温自动测试方法进行描述，下文描述的用于介质材料的介电性能变温自动测试方法与上文描述的用于介质材料的介电性能变温自动测试装置可相互对应参照。
[0133]
请参考图2，图2为本发明又一实施例提供的一种用于介质材料的介电性能变温自动测试方法的流程图。
[0134]
本发明又一实施例提供一种用于介质材料的介电性能变温自动测试方法，应用于上述任一种实施例中用于介质材料的介电性能变温自动测试系统，具体执行于控制装置5，该方法包括：
[0135]
步骤s21：高低温试验箱对所述开放式共聚焦电磁波谐振腔进行加热并保温；其与所述控制装置连接，用于设置目标测试温度、保温时间，已实现自动化操作；所述目标测试温度包括零下温度和零上温度；
[0136]
步骤s22：网络分析仪控制所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的谐振频率，并获取所述开放式共聚焦电磁波谐振腔的谐振频率以及品质因数；
[0137]
步骤s23：所述控制装置自动获取网络分析仪测试的谐振频率及品质因数并自动计算介电常数、介电损耗角正切值。
[0138]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。