專利名稱：一種圓柱形高q諧振腔及微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種圓柱形高Q諧振腔及微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，屬于微波測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微波電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試技術(shù)。
背景技術(shù)：
微波電介質(zhì)材料在微波器件、微波系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛，在對(duì)這些微波介質(zhì)材料的研制和使用過(guò)程中，需要對(duì)其電參數(shù)即復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。
當(dāng)微波電介質(zhì)為低損耗材料時(shí)，通常采用的方法為諧振腔法。所用諧振腔可為帶狀線諧振器、圓柱形諧振腔、矩形諧振腔、準(zhǔn)光腔、螺旋線諧振腔等。對(duì)于要求電場(chǎng)極化方向平行于微波電介質(zhì)樣品表面的復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試，常采用圓柱形諧振腔，因其Q值較高，且所用的被測(cè)微波電介質(zhì)樣品尺寸較小。圓柱形諧振腔法因其品質(zhì)因數(shù)Q較高，又稱其為高Q腔。
采用高Q腔法進(jìn)行微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試時(shí)，有兩種測(cè)試方法，一種為固定諧振頻率法，另外一種為固定腔長(zhǎng)法。在固定諧振頻率法中，腔體的諧振頻率在加載微波電介質(zhì)樣品前后為一固定值，通過(guò)加載微波電介質(zhì)樣品前后腔體長(zhǎng)度和品質(zhì)因數(shù)的變化來(lái)計(jì)算得到復(fù)介電常數(shù)。在固定腔長(zhǎng)法中，則固定腔體的長(zhǎng)度，通過(guò)加載微波電介質(zhì)樣品前后諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的變化來(lái)計(jì)算復(fù)介電常數(shù)。
國(guó)標(biāo)GB/T 5597-1999“固體微波電介質(zhì)微波復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法”為高Q腔法對(duì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試提供了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中采用的方法為固定諧振頻率法，通過(guò)改變腔體的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試。在此標(biāo)準(zhǔn)中，其測(cè)試精度受移動(dòng)活塞的穩(wěn)定度的影響而降低，并且測(cè)試速度慢，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。
文獻(xiàn)“Eric J.Vanzura，William A.Kissick.Advances in NIST dielectric measurementcapability using a mode-filtered cylindrical cavity.IEEE MTT-S Digest，1989，p901-904”中利用高Q腔分別采用固定諧振頻率法和固定腔長(zhǎng)法進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試。所用高Q腔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，(1)是圓柱腔筒，(2)是上端蓋，(3)是位置可移動(dòng)的下端蓋，(4)是在上端蓋2上所開的波導(dǎo)耦合孔，(5)是被測(cè)微波電介質(zhì)樣品。通過(guò)改變下端蓋(3)在圓柱腔筒(1)中的位置，從而改變腔體的長(zhǎng)度。文中利用多個(gè)TE01n工作模式，采用固定頻率法或固定腔長(zhǎng)法測(cè)量出被測(cè)微波電介質(zhì)樣品(5)在X波段8.2～12.4GHz內(nèi)復(fù)介電常數(shù)在寬頻帶離散頻率點(diǎn)上的響應(yīng)。因所采用的工作模式TE01n中的n值較高，最高時(shí)大于30，使得腔體的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，文中大于400mm，因而腔體的尺寸較大，受外界溫度影響增加，需采用保溫措施。而且腔筒(1)采用螺旋線波導(dǎo)以濾除非工作模式，使得腔體的加工難度大大增加。
文獻(xiàn)“張其劭，李恩，郭高鳳.低損耗微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)寬頻帶測(cè)試技術(shù)[A]，電子測(cè)量及儀器學(xué)術(shù)研討會(huì)[C]，200230-36.”中采用如圖2所示的圓柱形諧振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試，其結(jié)構(gòu)與圖1所示的腔體結(jié)構(gòu)類似，只是圓柱腔筒(1)采用圓柱形波導(dǎo)，下端蓋(6)為可移式活塞，便于被測(cè)微波電介質(zhì)樣品(5)的放置。測(cè)試方法為固定腔長(zhǎng)法。文中采用兩個(gè)腔體分別完成了2～7GHz，7～18GHz范圍內(nèi)復(fù)介電常數(shù)的寬頻測(cè)試，但仍然是離散頻率點(diǎn)的響應(yīng)，其測(cè)試頻率為相應(yīng)的固定頻率。
若采用固定測(cè)試頻率，改變腔體長(zhǎng)度的傳統(tǒng)測(cè)試方法，其測(cè)試精度低，測(cè)試速度慢?，F(xiàn)有采用高Q腔法進(jìn)行微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法中，不能在某一個(gè)頻段范圍內(nèi)對(duì)復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行掃頻測(cè)試，獲得的測(cè)試結(jié)果為某相應(yīng)的固定頻率。為適應(yīng)材料研究、開發(fā)及應(yīng)用的發(fā)展，需要在材料使用頻率點(diǎn)進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種工作頻率范圍寬的圓柱形高Q諧振腔及能夠在寬頻帶內(nèi)對(duì)微波電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的掃頻測(cè)試的裝置。
本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案為一種圓柱形高Q諧振腔，如圖4所示，包括圓柱形腔筒1、上端蓋10、下端蓋6和兩個(gè)微波能量耦合裝置4等四個(gè)部分，圓柱形腔筒1、上端蓋10和下端蓋6工作時(shí)相互接觸，形成一個(gè)圓柱形諧振腔，其特征是，所述上端蓋10在圓柱形腔筒1中的位置連續(xù)可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)高Q腔的諧振頻率連續(xù)可調(diào)，所述微波能量耦合裝置4位于圓柱形腔筒1的兩側(cè)。
所述下端蓋6作為被測(cè)微波電介質(zhì)樣品的承載臺(tái)，可以是可移式活塞，以方便被測(cè)微波電介質(zhì)樣品的放置。
所述上端蓋10可由精密步進(jìn)電機(jī)程序控制其在圓柱形腔筒1中的位置；也可手動(dòng)改變其在圓柱形腔筒1中的位置，此時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)試頻率點(diǎn)數(shù)的需要配以百分表或千分表來(lái)準(zhǔn)確讀取上端蓋的位置。
所述微波能量耦合裝置4可以是在圓柱形腔筒1上開出的波導(dǎo)耦合孔，也可以是耦合環(huán)。
微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，如圖3所示，包括微波信號(hào)源7、高Q腔8、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀9，微波信號(hào)源7所產(chǎn)生的微波信號(hào)輸入高Q腔8，高Q腔8所產(chǎn)生的諧振微波信號(hào)輸出至標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀9，其特征是，所述高Q腔8為前述圓柱形高Q諧振腔。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是采用諧振頻率連續(xù)可調(diào)的高Q腔代替國(guó)標(biāo)GB/T 5597-1999中的固定頻率點(diǎn)的高Q腔，從而進(jìn)行微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試。
本發(fā)明裝置的構(gòu)成及其測(cè)試工作原理是高Q腔結(jié)構(gòu)原理為了進(jìn)行介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試，對(duì)于所用高Q腔，應(yīng)首先選定工作模式，一般為TE0mn模式，其對(duì)應(yīng)的諧振頻率須在所需測(cè)試的頻率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。高Q腔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。圖中L是腔體的長(zhǎng)度，D是腔體的直徑。
諧振頻率與腔體尺寸的關(guān)系見(jiàn)公式(1)。
(f0D)2=(cπ·X0m)2+(c·n2)2·(DL)2---(1)]]>其中f0是諧振腔的空腔諧振頻率，c是光速，X0m是Bessel函數(shù)J′0(X0m)＝0的根(m＝1，2，3，…)，n是諧振模式在腔體軸向的半波長(zhǎng)數(shù)。
從公式(1)中可以得出，腔體諧振頻率與腔體長(zhǎng)度和直徑密切相關(guān)，因腔體直徑不易改變，所以本發(fā)明采用通過(guò)調(diào)節(jié)腔體長(zhǎng)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振頻率的連續(xù)變化。因此，所設(shè)計(jì)的諧振腔腔長(zhǎng)須在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
首先根據(jù)所需測(cè)試的頻率范圍，選定工作模式，由公式(1)設(shè)計(jì)出高Q腔的直徑和腔體長(zhǎng)度的變化范圍。高Q腔的腔體長(zhǎng)度范圍確定后，即可確定出高Q腔上端蓋所需移動(dòng)的范圍。
確定高Q腔的直徑、腔體長(zhǎng)度變化范圍后，即可制作高Q腔。制作時(shí)應(yīng)注意高Q腔的下端蓋(6)應(yīng)可以很方便地打開和關(guān)閉，以易于放置被測(cè)微波電介質(zhì)樣品。腔體上端蓋的位置應(yīng)在所需移動(dòng)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并配有上端蓋位置的指示裝置，也可用精密步進(jìn)電機(jī)程控移動(dòng)上端蓋，從而可對(duì)上端蓋的位置精確定位。
微波電介質(zhì)樣品復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試原理本發(fā)明采用圓柱諧振腔為測(cè)試腔，工作模式選用TE01n模，被測(cè)試微波電介質(zhì)樣品為圓盤狀樣品，放于諧振腔的底部，如圖6所示。其中d是盤狀介質(zhì)樣品的厚度。在放入被測(cè)微波電介質(zhì)樣品之前應(yīng)先測(cè)量出空腔的諧振頻率f0和無(wú)載品質(zhì)因數(shù)Q0。
當(dāng)腔體加載盤狀微波電介質(zhì)樣品后，測(cè)量加載微波電介質(zhì)樣品后腔體的諧振頻率f0ε和品質(zhì)因數(shù)Q0ε后，根據(jù)傳輸線原理和邊界條件理論，可以得到特征方程為tan(βϵ·d)βϵ+tan[β0·(L-d)]β0=0---(2)]]>βϵ2=(2π·f0ϵ/c)2·ϵr-(2X0m/D)2---(3)]]>β02=(2π·f0ϵ/c)2-(2X0m/D)2---(4)]]>f0ε是腔體加載微波電介質(zhì)樣品后的諧振頻率，β0是腔體中空氣部分的相位常數(shù)，βε是腔體中盤狀微波電介質(zhì)樣品部分的相位常數(shù)，εr是微波電介質(zhì)樣品的介電常數(shù)。
腔體的損耗包括腔壁金屬損耗和介質(zhì)損耗，由腔體加載微波電介質(zhì)樣品前后品質(zhì)因數(shù)，可以推到出損耗角正切的計(jì)算公式。
tanδ=(1+up·v·ϵr)·(1Q0ϵ-1Q00′)---(5)]]>1Q00′-1Q0·(f0f0ϵ)52·[(2X0mD)2·(p·v+u)+D·(p·βϵ2+β02)](p·v·ϵr+u)·[(2X0mD)2·(1-DL)+(2π·f0c)2·DL]---(6)]]>其中p=[sinβ0(L-d)sinβϵd]2,u=2(L-d)-sin2β0(L-d)β0,v=2dsin2βϵdβϵ.]]>通過(guò)加載微波電介質(zhì)樣品前后腔體的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的測(cè)量，根據(jù)公式(2)～(5)可以計(jì)算得到介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。
微波電介質(zhì)樣品復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試原理1.測(cè)試時(shí)，根據(jù)所需測(cè)試的頻率范圍，由公式(1)可計(jì)算出腔體長(zhǎng)度L的變化范圍Lmin～Lmax。然后根據(jù)所需測(cè)試的頻率點(diǎn)數(shù)N，計(jì)算出上端蓋的移動(dòng)步進(jìn)dL。
dL=Lmax-LminN]]>2.測(cè)量空腔時(shí)的諧振頻率和無(wú)載品質(zhì)因數(shù)。在測(cè)試過(guò)程中，改變上端蓋(10)在腔筒(1)中的位置，即可改變腔體的長(zhǎng)度L。上端蓋的移動(dòng)步進(jìn)為dL。上端蓋每移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)，需測(cè)量此時(shí)腔體的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。測(cè)完空腔在不同腔體長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)后，記錄數(shù)據(jù)并將腔體上端蓋移回初始位置。
3.打開腔體下端蓋，放入被測(cè)微波電介質(zhì)樣品(5)后，將下端蓋固定。以步進(jìn)為dL的距離改變上端蓋在腔體中的位置，并同時(shí)記錄腔體在不同長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng)加載微波電介質(zhì)樣品后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。
4.將同一腔體長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的空腔和加載微波電介質(zhì)樣品后諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)按照第三步的計(jì)算過(guò)程，就可計(jì)算出腔體在此長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的被測(cè)微波電介質(zhì)樣品的復(fù)介電常數(shù)。得到腔體在不同長(zhǎng)度時(shí)空腔和加載微波電介質(zhì)樣品后諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的值后，即可計(jì)算出腔體在不同長(zhǎng)度時(shí)被測(cè)微波電介質(zhì)樣品的復(fù)介電常數(shù)。因腔體長(zhǎng)度與諧振頻率一一對(duì)應(yīng)，即可得到被測(cè)微波電介質(zhì)樣品復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試結(jié)果。
需要說(shuō)明的是，本發(fā)明適合各個(gè)頻段微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試，即本發(fā)明可以在不同頻段對(duì)各種微波電介質(zhì)進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)掃頻測(cè)試。
綜上所述，本發(fā)明的創(chuàng)新是設(shè)計(jì)并制作長(zhǎng)度連續(xù)可調(diào)的高Q腔。通過(guò)改變腔長(zhǎng)從而實(shí)現(xiàn)高Q腔諧振頻率的連續(xù)變化。得到微波電介質(zhì)樣品加載前后高Q腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的變化，即可計(jì)算得到被測(cè)微波電介質(zhì)樣品在某一頻段范圍內(nèi)的掃頻測(cè)試結(jié)果。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用腔長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的高Q腔，制作出諧振頻率連續(xù)可變的腔體，尺寸較小，使用方便。因所采用腔體的諧振頻率連續(xù)可調(diào)，可完成微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試；測(cè)試過(guò)程快速，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
本發(fā)明適合各個(gè)微波頻段范圍內(nèi)微波電介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試。若設(shè)計(jì)合理，同樣可實(shí)現(xiàn)毫米波波段微波電介質(zhì)材料的掃頻測(cè)試。微波電介質(zhì)的寬頻帶復(fù)介電常數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于更加準(zhǔn)確地應(yīng)用微波電介質(zhì)具有重要的意義，為材料電特性研究提供了寶貴數(shù)據(jù)。


圖1下端蓋位置可變的高Q腔示意圖其中，1是圓柱腔筒，2是上端蓋，3是可移動(dòng)的下端蓋，4是波導(dǎo)耦合孔，5是被測(cè)微波電介質(zhì)樣品。
圖2固定長(zhǎng)度的高Q腔示意圖其中，6為可移式下端蓋。
圖3測(cè)試系統(tǒng)框圖其中，7是微波信號(hào)源，8是高Q腔，9是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
圖4掃頻測(cè)試腔結(jié)構(gòu)示意圖其中，10是位置可移動(dòng)的上端蓋圖5高Q腔空腔示意6加載微波電介質(zhì)樣品后的高Q腔示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明實(shí)施方式測(cè)試裝置的適用頻率范圍為8.2～12.4GHz。其高Q腔腔體直徑為55mm，長(zhǎng)度變化范圍為57～95mm；高Q腔所選用的工作模式為TE013和TE014工作模式，當(dāng)腔體長(zhǎng)度為95mm時(shí)，腔體的工作模式對(duì)應(yīng)的頻率分別為TE0138.16GHz，TE0149.16GHz；當(dāng)腔體長(zhǎng)度調(diào)節(jié)到57mm時(shí)，TE01310.32GHz，TE01412.44GHz。這樣，當(dāng)移動(dòng)腔體上端蓋時(shí)，即腔體長(zhǎng)度由95mm變化到57mm的過(guò)程中，工作模式TE013和TE014對(duì)應(yīng)的工作頻率結(jié)合起來(lái)，可連續(xù)覆蓋8.2～12.4GHz的頻率范圍。
本發(fā)明實(shí)施方式測(cè)試裝置的其它部分與發(fā)明內(nèi)容中相同，在此不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種圓柱形高Q諧振腔，包括圓柱形腔筒(1)、上端蓋(10)、下端蓋(6)和兩個(gè)微波能量耦合裝置(4)等四個(gè)部分，圓柱形腔筒(1)、上端蓋(10)和下端蓋(6)工作時(shí)相互接觸，形成一個(gè)圓柱形諧振腔，其特征是，所述上端蓋(10)在圓柱形腔筒(1)中的位置連續(xù)可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)高Q腔的諧振頻率連續(xù)可調(diào)，所述微波能量耦合裝置(4)位于圓柱形腔筒(1)的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形高Q諧振腔，其特征是，所述下端蓋(6)作為被測(cè)微波電介質(zhì)樣品的承載臺(tái)，可以是可移式活塞，以方便被測(cè)微波電介質(zhì)樣品的放置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形高Q諧振腔，其特征是，所述上端蓋(10)可由精密步進(jìn)電機(jī)程序控制其在圓柱形腔筒(1)中的位置；也可手動(dòng)改變其在圓柱形腔筒(1)中的位置，此時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)試頻率點(diǎn)數(shù)的需要配以百分表或千分表來(lái)準(zhǔn)確讀取上端蓋的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形高Q諧振腔，其特征是，所述微波能量耦合裝置(4)可以是在圓柱形腔筒(1)上開出的波導(dǎo)耦合孔，也可以是耦合環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形高Q諧振腔，其特征是，其腔體直徑為55mm，長(zhǎng)度變化范圍為57～95mm。
6.微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，包括微波信號(hào)源(7)、高Q腔(8)、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀(9)，微波信號(hào)源(7)所產(chǎn)生的微波信號(hào)輸入高Q腔(8)，高Q腔(8)所產(chǎn)生的諧振微波信號(hào)輸出至標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀(9)，其特征是，所述高Q腔8為根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的圓柱形高Q諧振腔。
全文摘要
一種圓柱形高Q諧振腔及微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置，屬于微波測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。圓柱形高Q諧振腔包括圓柱形腔筒1、上端蓋10、下端蓋6和兩個(gè)微波能量耦合裝置4，圓柱形腔筒1、上端蓋10和下端蓋6工作時(shí)相互接觸，形成一個(gè)圓柱形諧振腔，所述上端蓋10在圓柱形腔筒1中的位置連續(xù)可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)高Q腔的諧振頻率連續(xù)可調(diào)，所述微波能量耦合裝置4位于圓柱形腔筒1的兩側(cè)。微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試裝置包括微波信號(hào)源7、本發(fā)明的圓柱形高Q諧振腔8、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀9。本發(fā)明的圓柱形高Q諧振腔，其腔長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，諧振頻率連續(xù)可變，尺寸較小，使用方便。因所采用腔體的諧振頻率連續(xù)可調(diào)，可完成微波電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的掃頻測(cè)試；測(cè)試過(guò)程快速，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
文檔編號(hào)G01R31/00GK1790040SQ20051002222
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日
發(fā)明者李恩, 郭高鳳, 張其劭 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)