一种用于带状线谐振法复介电常数的变温测试装置的制作方法

1.本实用新型属微波测试技术领域，涉及一种用于带状线谐振法复介电常数的变温测试装置，具体来说是指一种用带状线谐振方法测量不同环境温度下电介质材料复介电常数的装置。


背景技术：

2.近些年随着超高频、毫米波应用的拓展，市场对印制电路板在高频下的介电性能提出了更高的要求。例如，随着自动驾驶研发的兴起和辅助驾驶功能的落地，制备出适合汽车毫米波雷达应用的材料成为目前高频板制造领域的一个热点。汽车雷达被要求在不同的环境温度下都能够精确、迅速地工作，这对介质材料基板的复介电常数温度漂移性能提出了很高的要求。因此，测量评估不同环境温度下材料复介电常数的变化程度，在毫米波应用材料的测试方面是一项重要的工作。
3.能在毫米波领域应用的材料，其损耗角正切值较低（《0.005）,因此往往采用谐振法测量其复介电常数。对于不同温度下利用谐振法测量低损耗材料的复介电常数，已有过类似的装置和方法报道。如公告号为cn101187683b的发明专利公开了一种采用圆柱形高q谐振腔在真空高温炉中测试低损耗材料高温下复介电常数的方法，测试频率范围7—18 ghz，测试温度可达1500摄氏度。公开号为cn102393490a的发明专利申请公开了一种采用矩形波导谐振腔和高温炉为主体的介质材料高温复介电常数测量装置。公告号为cn108680839b的发明专利公开了一种采用同轴谐振腔进行材料复介电常数高温测试的系统和方法。但目前并没有关于带状线谐振器法复介电常数变温测试装置的专利公开。
4.文献“许增超；带状线谐振器法复介电常数的变温测试[d]；电子科技大学；2008年”中虽然搭建了带状线谐振器法变温测试的装置。设计变温范围为-100℃到150℃之间，测试频率范围1—18 ghz。其冷却系统采用液氮制冷，加热系统采用加热电阻与温控器控制。但是由于：（1）测试探头处于变温环境中，因此引入了系统误差；（2）液氮流量难以控制，影响温度的平坦度；（3）变温试验箱对谐振频率产生影响等因素。因此对上述装置还有巨大的改进需求。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的目标是提供一种用于带状线谐振法复介电常数的变温测试装置。装置需要测量-40—150℃温度之间，薄板材料在1—12ghz之间的复介电常数，需要能适用于低损耗的微波材料、毫米波材料。
[0006]
本实用新型的技术思路如下：在已有的成熟的常温下带状线谐振器法测量复介电常数的设备和方法（国标gb/t12636-90）基础上,为了使待测材料处于恒定的高温或低温环境，本实用新型在传统夹具的内部固定蛇形弯管，蛇形弯管内通入恒温循环的液体介质，获得恒定的低温源或高温源。同时，夹具外层包裹保温材料。当整个系统的传热达到稳态之后，可以在待测样品周围得到近似恒温的环境。待测样品周边的实际温度通过精密温度探
头检测获得。
[0007]
本实用新型的详细技术方案如下：
[0008]
一种用于带状线谐振法介电常数的变温测试装置，包括矢量网络分析仪器、带状线谐振器夹具、夹具加压装置和压力探头、高低温液体循环温控系统、温度探头和温度显示器。
[0009]
所述带状线谐振器夹具内装有传热管，所述传热管具有液体流出口和液体进入口，所述液体流出口和液体进入口分别与高低温液体循环温控系统的进液管道和出液管道相连接，而由待测样品组成的带状线谐振器则内置于带状线谐振器夹具以获得稳定的环境温度。
[0010]
进一步地，所述带状线谐振器夹具包括上夹具和下夹具，由待测样品组成的带状线谐振器则置于配装的上夹具和下夹具之间，而所述传热管则在上夹具和下夹具中至少择一安装于其中。
[0011]
进一步地，所述传热管为具有增强传热效果的蛇形弯管并配装于相应夹具的安装孔中，所述蛇形弯管内循环-40—150℃温度范围内的恒温液体介质。
[0012]
进一步地，所述上夹具和下夹具中至少存在一者开设有预留孔，所述预留孔中固定有温度探头。
[0013]
进一步地，所述上夹具设置下凸部，所述下夹具设置与下凸部相配的上凹部，所述传热管聚装于下凸部处的上夹具安装孔中，所述温度探头安装于上凹部底端处的下夹具预留孔中，而由待测样品组成的带状线谐振器则置于配装的下凸部与上凹部之间。
[0014]
进一步地，所述带状线谐振器夹具为采用具有导热性及高导电性的金属材料制作而成的夹具，所述传热管为采用具有导热性及弯折性的金属材料制作而成的管件。
[0015]
优选地，所述传热管为黄铜制作而成的管件，所述带状线谐振器夹具为黄铜制作而成的夹具。
[0016]
进一步地，由待测样品组成的带状线谐振器与带状线谐振器夹具之间垫有铜箔。
[0017]
进一步地，所述带状线谐振器夹具的四周包裹有保温层。
[0018]
只要不影响加夹具加压装置、温度探头、矢量网络分析仪连接探头的安装使用，所述保温层的形状、大小不受限制。
[0019]
与现有技术方案相比，本实用新型的有益效果是：
[0020]
（1）、本实用新型采用商品化的高低温液体循环温控系统来提供冷源和热源介质，介质的温控操作简便，不涉及到液氮的使用。
[0021]
（2）、本实用新型采用恒温介质和黄铜夹具的热传导来给待测材料加热和降温，与现有技术方案里的高温炉或恒温箱相比较体积较小，因此相对的能耗较小。
[0022]
（3）、本实用新型中待测材料温度的稳定性取决于循环介质的温度稳定性，控制精度高，远优于电加热管与温控器组合的温控精度。
[0023]
本实用新型的装置可以提供待测材料环境温度范围为-40—150摄氏度，测试频率范围为1—12 ghz，适合用于低损耗材料的介电常数与介电损耗的变温测量，在微波和毫米波应用测试领域内可发挥重要作用。
附图说明
[0024]
以下结合附图说明本实用新型的实施例，其中
[0025]
图1为本实用新型提供的一种用于带状线谐振法复介电常数的变温测试装置的连接示意图。
[0026]
图2为本实用新型变温测试装置中带状线谐振器夹具加载待测材料时的立体结构示意图。
[0027]
图3为本实用新型提供的上夹具的侧向结构示意图。
[0028]
图4为本实用新型提供的下夹具的立体结构示意图。
[0029]
具体实施方式：
[0030]
下面将结合附图，对本实用新型具体实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员基于下述实施例启示，所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0031]
本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0032]
如图1所示，本实用新型提供一种用于带状线谐振法复介电常数的变温测试装置，包括矢量网络分析仪器、带状线谐振器夹具（样品夹具）、夹具加压装置和压力探头、高低温液体循环温控系统、温度探头和温度显示器。
[0033]
本实施例中采用的高低温液体循环温控系统（高低温一体机），是成熟的市场化设备，具备加热和制冷的功能。可选用的型号例如江苏鑫盛泽温控设备有限公司的小型实验室级高低温一体机。
[0034]
本实施例中高低温一体机的循环介质优选二甲基硅油，可在-50摄氏度至150摄氏度温度之间长期使用。牌号可选道康宁公司的pmx-200。
[0035]
本实施例中提供的样品夹具形状、结构及与待测材料的组合形式如图2所示。样品夹具包括上夹具21和下夹具22。测试时，第一待测带状线样品板23、第二待测带状线样品板24组成带状线谐振器，带状线谐振器安装于上下夹具之间。夹具之间的定位和连接通过四角的定位螺孔、螺丝来实现。第一待测带状线样品板23、第二待测带状线样品板24是两块相同大小的低损耗介电材料，其中第一待测带状线样品板23中央刻蚀有带状线。待测样品与上下夹具之间各垫有1层铜箔25。铜箔厚度为1—2oz。
[0036]
图2和图3分别展示了上夹具的结构。上夹具21上顶面分布4个定位螺纹孔（未标记），用以定位。所述上夹具21设置下凸部211，下凸部211处的上夹具21中央分布有4个圆柱通孔，即安装孔，用以固定传热管33。传热管33为蛇形弯管，具有较好的传热效率。传热管33具有液体进入口和液体流出口，分别与高低温液体循环温控系统的出液管道及进液管道相连接，由此所述弯管内则可循环-40—150℃温度范围内的恒温液体介质。
[0037]
下夹具22的形状与结构如图2和图4所示，其设置有与下凸部211相配的上凹部222，下夹具22开设有四个定位螺纹孔41，并在上凹部222底端处还开设有一个圆柱半孔42，
即预留孔，该预留孔用以固定温度探头，用于精确读取下夹具22顶面中心位置的温度，该温度近似地等同于待测样品的实际环境温度。而由待测样品组成的带状线谐振器则置于配装的下凸部211与上凹部222之间。
[0038]
本实施例中，样品夹具和传热管均采用黄铜材质。黄铜具有优良的导热性能，因此有助于尽快建立热平衡。此外，黄铜的导电性能好，夹具可以起到较好的电磁屏蔽的作用。
[0039]
本实施例中，样品夹具的四周包裹保温层，其中保温层优选保温棉。与温度探头、矢量网络分析仪连接的同轴线探头处留有小孔，方便探头调节时的移动。而保温棉可以减少夹具与外部空气的热量对流交换。
[0040]
本实施例中，样品夹具的上下面与加压装置接触的地方垫硬质隔热板。隔热板可以减少夹具与金属接触面的热量传导交换。
[0041]
本实用新型所述装置的使用步骤如下：
[0042]
s1、将待测样品组成的带状线谐振器放置在上下夹具之间，带状线谐振器的上下表面与夹具之间各放入1层铜箔，用4颗螺丝将上夹具与下夹具连接固定；
[0043]
s2、将上述组合体放置于加压装置上，使用加压装置对样品夹具上下表面加压，当压力显示为待定的测试压力时停止，维持恒定压力；
[0044]
s3、调节与矢量网络分析仪连接的输入输出探头位置，直至调出合适的谐振峰；
[0045]
s4、将样品夹具外部包裹保温材料；
[0046]
s5、设定循环液体温度，打开循环泵，等待系统达到热平衡。液体流速依据样品夹具的实际大小和传热管管径粗细确定；
[0047]
s6、待系统达到热平衡后，温度探头测试温度不再变化，该温度即为待测材料的环境温度。采用国标gb/t12636-90的测试方法和计算方法，可测试待测材料在该温度条件下的介电常数和损耗角正切。
[0048]
利用本实用新型所述装置，可以设定-40—150℃范围内的若干温度值，测量低损耗介电材料在不同温度条件下的复介电常数。由上述系列结果，可以做出该温度范围内的温度-介电常数曲线和温度-损耗角正切曲线。如果温度-介电常数曲线在该温度区间内存在线性区，则可进一步求出介电常数的热变化率。该变化率可以用作判断低损耗材料对于温度的介电性能稳定性的判据。对于射频工程师的材料选型，评估待测材料在制成器件之后能否满足毫米波应用的需求，具有重要的意义。