一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统及方法

本发明属于微波、毫米波测试，具体涉及一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统及方法。

背景技术：

1、毫米波材料是国防、军事装备、航天航空、电子通讯众多领域中的关键基础材料。随着通讯、遥测、制导、引爆、导航、电子对抗、隐身等技术的发展，对材料毫米性能的稳定性、一致性、高温高压环境下应用提出了越来越高的要求。例如，当飞机、导弹、火箭等航空航天设备高速飞行时，随着飞行速度的逐步加快，空气形成高速气流与设备头部摩擦越来越大，导致头部材料温度和压力急剧上升，而微波材料的介电参数在高温高压环境下是呈现非线性变化的，这将对飞行器天线发送、接收信号产生极大的影响。因此，准确的测试、分析这些微波材料的介电参数在高温高压环境下的变化情况，具有十分重要的实际意义。

2、准光腔具有极高的q值，并且工作模式简单，高阶模式对主模的影响比较小，腔体开放放置样品操作方便，因此十分适用于透波材料的介电特性测量。目前，有关利用准光腔法测量透波材料介电性能的相关研究主要集中于常温或者低温环境中。董盎然的论文《材料介电参数准光腔法低温测试技术研究》中搭建了一套工作在-50℃-100℃的准光腔变温测试系统，研究了温度和结霜度对准光腔性能的影响，并通过半导体除冷除湿与准光腔相结合；但是其研究的是仅在-50℃-100℃的低温、常温环境下的材料复介电常数的测量，该系统并不适用于高温高压环境下介电常数的测试。此外，该方法只针对于温度场作用下的复介电常数测量，并不涉及压力场。

3、综上，现阶段国内外对透波材料介电常数提取检测的准光腔技术主要是针对单独的低温常温环境下的测试，并且仅研究了温度场作用下的介电常数提取方法而忽略了压力场的作用。因此，如何实现在高温高压下利用准光腔对透波材料介电常数进行提取的技术对当下微波材料测试具有重要实际意义。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统与方法。该系统创新性地在常规准光腔法测试装置中加设了温度装置用于加热、压力装置用于加压，并考虑到温度和压力对光腔的影响设置了熔融石英，从而使得本发明系统能够实现在高温高压下采用准光腔法对透波材料的介电性能进行测试；同时，本发明系统操作简便、测试精度高度。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统，包括温度显示仪1、压力显示仪2、加压器3、压力传感器4、隔热金属层5、平面镜6、水冷单元7、加热感应线圈8、熔融石英10、准光腔球面镜11、第一准光腔同轴耦合环12、第二准光腔耦合环13、矢量网络分析仪14、温控仪15、温度感应器16；

4、其中，平面镜6、隔热金属层5、压力传感器4和加压器3从上至下依次固定连接设置，待测微波材料9放置于平面镜6表面且两者中心位于同一竖直线上，待测微波材料9表面设置熔融石英，所述熔融石英的底面为平面、顶面为弧面，顶面尺寸与准光腔球面镜11完全一致；准光腔球面镜11设置于待测透波材料9的正上方，且待测透波材料9中心处的法线穿过准光腔球面镜的球心，待测微波材料9的半径应该大于同一高度时高斯波束的束腰半径；第一准光腔同轴耦合环12和第二准光腔同轴耦合环13对称设置于准光腔球面镜11上，且第一准光腔同轴耦合环12和第二准光腔同轴耦合环13分别与矢量网络分析仪14的两端相连；

5、平面镜6与待测微波材料上设置加热感应线圈8，加热感应线圈8与温控仪15相连接，温控仪通过感应加热法对待测微波材料实现加热；隔热金属层5内设置水冷槽，所述水冷槽与水冷单元7连接，用于降低温度；温度感应器16设置于待测微波材料9上，并与温度显示仪1连接，用于对待测微波材料9的温度进行实时的测量与读取；压力显示仪2与压力传感器4连接，用于实时地读取待测微波材料9上施加的力的大小；加压器3用于对待测微波材料9加压。

6、进一步地，所述待测微波材料9应该按照标准尺寸制作，具体长宽高的尺寸应该为200m m×200mm×2mm；同时，待测微波材料表面应光滑平整，以满足在待测微波材料表面表面高斯波束以近似平面波在与待测微波材料表面垂直的方向上传播。

7、进一步地，所述隔热金属层5由高温金属制成，应确保待测微波材料被加热到1000℃以上时，不发生氧化。

8、进一步地，所述加压器3包括金属支撑架和加压螺丝，金属支撑架用于固定支撑压力传感器4，加压螺丝用于通过旋进对压力传感器14加压。

9、进一步地，所述准光腔球面镜11的表面镀银，用于改善反射面的反射性能。

10、进一步地，准光腔球面镜的中心与平面镜之间的距离为d,d值始终保持不变。

11、本发明还提供基于上述测试系统对透波材料进行介电测试的方法，包括如下步骤：

12、步骤1.放置第一熔融石英，调整准光腔球面镜的中心与平面镜之间的距离d，使矢量网络分析仪出现谐振峰；

13、步骤2.固定步骤1中准光腔球面镜位置，不放置待测微波材料进行测试，将准光腔加热加压至目标值，等待温度与压力稳定后，利用矢量网络分析仪记录未放置样品时的谐振频率f0；

14、步骤3.将待测微波材料放置于平面镜上方，然后放置第二熔融石英，使准光腔球面镜的中心与平面镜之间的距离d保持不变，然后将样品与平面镜加热至目标值，等待温度与压力稳定后，利用矢量网络分析仪测试待测材料在所需微波电场强度下的谐振频率fl；

15、步骤4.根据步骤3所测得的加载待测材料时的谐振频率fl及步骤2所测得的谐振频率f0，计算得到待测材料的介电常数εr，其计算过程具体为：

16、

17、

18、

19、

20、其中，r0为准光腔的曲率半径，t为待测材料的厚度，n1为待测样品的折射率，n2为熔融石英的折射率，ω0为准光腔的束腰半径，d为准光腔腔长，c为电磁波传播速度，q为准光腔内谐振电磁场的纵向模式数，k为准光腔加载待测样品时的波数，d、d′和s0均为中间变量，φd、φt为中间过程量；

21、即可得到特定温度与压力下的透波材料的介电常数εr。

22、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

23、该发明创新地设计了一套新的准光腔法测试系统，同时设计了电磁参数提取算法，能够实现微波作用下对透波材料高温高压联合作用下介电常数的提取。本发明系统具有测试频带宽、检测方法简便、测试精度高等优点。

技术特征：

1.一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统，其特征在于，包括温度显示仪、压力显示仪、加压器、压力传感器、隔热金属层、平面镜、水冷单元、加热感应线圈、熔融石英、准光腔球面镜、第一准光腔同轴耦合环、第二准光腔耦合环、矢量网络分析仪、温控仪、温度感应器；

2.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述待测微波材料为长方体，其长宽高的尺寸为200mm×200mm×2mm。

3.如权利要求2所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述待测微波材料表面应光滑平整，以满足在待测微波材料表面高斯波束以近似平面波在与待测微波材料表面垂直的方向上传播。

4.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述隔热金属层由高温金属制成。

5.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述加压器包括金属支撑架和加压螺丝，金属支撑架用于固定支撑压力传感器，加压螺丝用于对压力传感器加压。

6.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述准光腔球面镜的表面镀银。

7.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，准光腔球面镜的中心与平面镜之间的距离为d,d值始终保持不变。

8.基于如权利要求1-7任一权利要求所述的介电性能测试系统对透波材料进行介电测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明的目的在于提供一种透波材料在高温高压下的介电性能测试系统与方法，属于微波、毫米波介质材料测试技术领域。该系统创新性地在常规准光腔法测试装置中加设了温度装置用于加热、压力装置用于加压，并考虑到温度和压力对光腔的影响设置了熔融石英，从而使得本发明系统能够实现在高温高压下采用准光腔法对透波材料的介电性能进行测试；同时，本发明系统操作简便、测试精度高度。

技术研发人员：向志军,杨行健,高勇,唐小宏,李恩,张云鹏,高冲,龙嘉威
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4