一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法

本发明涉及相对介电常数测量，具体涉及一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法。

背景技术：

1、在利用矩形波导计算被测件的相对介电常数时，需要用到矢量网络分析仪对矩形波导内的被测件进行s参数的测量，而矢量网络分析仪以及矩形波导测量装置都不可能是理想的，因此需要对矢量网络分析仪内部以及矩形波导测量装置进行校准。矢量网络分析仪内部可以通过自校准技术完成自动校准，而整个矩形波导测量装置则需要利用矢量网络分析仪进行手动校准。

2、在对整个矩形波导测量装置校准的过程中，一般情况下会选择已经成熟完善的直通-反射-传输线(trl)校准方法或者短路-开路-负载-直通(solt)校准方法进行校准，以trl校准方法为例，文献“g.f.engen and c.a.hoer.thru-reflect-line：an improvedtechnique for calibrating the dual six-port automatic network analyzer.ieeetransactions on microwave theory and techniques，vol.27，no.12，pp.987-993，dec.1979.”中提到，首先在进行直通校准(t)时，需要将整个装置两端的夹具进行移动，使两端的夹具对接，完成直通校准；其次进行反射校准(r)时，需要先将装置两端的夹具分开，并在其中接入反射校准件，完成反射校准；最后进行传输线校准(l)时，需要先取下反射校准件，接入传输线校准件，完成传输线校准。在利用trl校准方法校准装置的整个过程中，矩形波导两端的夹具需要不断的移动，在一些不宜甚至不能移动测量装置两端夹具的场合，比如测量装置两端夹具过大、高温测量等，那么利用trl校准方法进行校准时，装置两端夹具的对准和紧固就显得非常繁琐，不具有便捷性和重复性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法，通过对矩形波导的改进，设计开缝矩形波导测量装置，并采用相对应的校准方法，在保证校准准确度的情况下，避免了trl校准方法中需要多次移动夹具带来的不便和可能引入的误差，保证了在校准以及测量过程中整个测量装置始终是保持固定的，简化了校准实验操作，适用了更多的实验场景与实验环境中。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置，其特征在于包括开缝矩形波导以及固定支架，所述的开缝矩形波导为在矩形波导的e平面上、下各开一条窄缝隙；将开缝矩形波导纵向固定在固定支架上，并在开缝矩形波导两端分别连接同轴波导转换器。

5、本发明进一步的技术方案：还包括限位支架，所述的限位支架用于确定反射校准件在开缝矩形波导中的位置。

6、一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置的校准方法，其特征在于：

7、利用开缝矩形波导进行一次直通校准；

8、通过缝隙在开缝矩形波导中放入反射校准件，进行第一次反射校准；

9、通过缝隙改变反射校准件在开缝矩形波导中的位置，进行第二次反射校准以及第三次反射校准。

10、本发明进一步的技术方案：所述的反射校准件设计成阶梯状。

11、本发明进一步的技术方案：所述直通校准和反射校准时，其上侧参考面与下侧参考面之间的固定距离是相等的。

12、一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量方法，其特征在于：

13、在开缝矩形波导测量装置完成校准后，将开缝矩形波导测量装置连接矢量网络分析仪，将被测件通过缝隙放入开缝矩形波导中进行测量得到开缝矩形波导测量装置的s矩阵，根据开缝矩形波导测量装置的s矩阵计算被测件的s矩阵，通过被测件的s矩阵得到被测件的传播常数，根据被测件的传播常数计算被测件的相对介电常数。

14、本发明进一步的技术方案：根据开缝矩形波导测量装置的s矩阵计算被测件的s矩阵具体为：

15、

16、其中，[tm]开缝矩形波导测量装置的s矩阵转化得到的测量t矩阵，矩阵为被测件上侧与上侧参考面之间部分的t矩阵，矩阵为被测件下侧与下侧参考面之间部分的t矩阵，为被测件上侧与上侧参考面之间的距离，为被测件下侧与下侧参考面之间的距离，γ0为矩形空波导中的传播常数，[d]、[e]-1为误差矩阵。

17、本发明进一步的技术方案：通过被测件的s矩阵得到被测件的传播常数γ具体为：

18、

19、

20、

21、

22、其中，γ是被测件部分的反射系数，lc是被测件在矩形波导内长边上的宽度，k、t为中间过度量。

23、本发明进一步的技术方案：采用微扰法计算被测件的相对介电常数，具体为：

24、

25、其中，la是矩形波导的长边，lc是被测件在矩形波导内长边上的宽度，ω是角频率，εr是被测件的相对介电常数，ε0为是空气中的相对介电常数，kc是截止波数；

26、设定以下目标函数式，通过目标函数优化被测件的近似相对介电常数：

27、

28、其中，fe(εr)为目标函数值，k0是空气中波数，ld是被测件与矩形波导短边之间的距离的最大值，最终得到被测件相对介电常数εr的近似精确解。

29、本发明进一步的技术方案：还可以采用模式匹配法计算被测件的相对介电常数。

30、本发明的有益效果在于：

31、本发明提供的一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法，在整个校准与测量的过程中，开缝矩形波导测量装置是固定的，仅需改变反射校准件在开缝矩形波导中的位置即可完成校准过程，最后通过缝隙放入被测件即可完成测量过程；其次，对被测件的准备要求较低，只需通过缝隙将被测件的一部分放入开缝矩形波导中即可。在保证校准准确度的情况下，开缝矩形波导测量装置简化了被测件的制造与加工，简化了校准实验操作，并且具有良好的可重复性以及便捷性，可以应用于更多的实验场景与实验环境中。

32、本发明提出一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法，在开缝矩形波导测量装置的校准中，反射校准件设计成阶梯状，以便于确定反射校准件在开缝矩形波导中的位置。

33、本发明提出一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法，将开缝矩形波导纵向固定在支架上，利用反射校准件以及被测件的重力进行定位，以确定其在开缝矩形波导中的位置。不用借助外在条件即可完成定位，定位方便且易于操作。

技术特征：

1.一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置，其特征在于包括开缝矩形波导以及固定支架，所述的开缝矩形波导为在矩形波导的e平面上、下各开一条窄缝隙；将开缝矩形波导纵向固定在固定支架上，并在开缝矩形波导两端分别连接同轴波导转换器。

2.根据权利要求1所述的一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置，其特征在于还包括限位支架，所述的限位支架用于确定反射校准件在开缝矩形波导中的位置。

3.一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置的校准方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置的校准方法，其特征在于所述的反射校准件设计成阶梯状。

5.根据权利要求3所述的基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置的校准方法，其特征在于所述直通校准和反射校准时，其上侧参考面与下侧参考面之间的固定距离是相等的。

6.一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述基于开缝矩形波导的相对介电常数测量方法，其特征在于：

8.根据权利要求6所述基于开缝矩形波导的相对介电常数测量方法，其特征在于：通过被测件的s矩阵得到被测件的传播常数γ具体为：

9.根据权利要求6所述基于开缝矩形波导的相对介电常数测量方法，其特征在于：采用微扰法计算被测件的相对介电常数，具体为：

10.根据权利要求9所述基于开缝矩形波导的相对介电常数测量方法，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种基于开缝矩形波导的相对介电常数测量装置与方法，涉及相对介电常数测量技术领域。测量装置由开缝矩形波导以及支架组成。测量方法：首先对整个开缝矩形波导装置进行校准，利用开缝矩形空波导进行一次直通校准，然后通过缝隙在开缝矩形波导中放入反射校准件，进行第一次反射校准，通过缝隙改变反射校准件在开缝矩形波导中的位置，进行第二次反射校准以及第三次反射校准，完成整个开缝矩形波导装置的校准；最后将被测件通过缝隙放入开缝矩形波导中进行测量，得到被测件部分的S矩阵，通过S矩阵得到被测件部分的传播常数，最后采用微扰法、模式匹配法等方法即可得到被测件的相对介电常数。

技术研发人员：吴昌英,刘育杰,万国宾
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16