專利名稱：一種基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于介質(zhì)材料測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波、毫米波頻段介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試用準(zhǔn)光學(xué)諧振腔。
背景技術(shù)：
介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)測量方法按測試原理主要分為兩大類網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法一般適用于中高損耗的電介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)測量中，諧振法則適用于低損電介質(zhì)耗材料的復(fù)介電常數(shù)測量。諧振法又分為微擾法、高Q腔法、傳輸諧振器法、介質(zhì)諧振器法和準(zhǔn)光學(xué)諧振腔法等。其中，準(zhǔn)光學(xué)諧振腔法常用于毫米波頻段的電介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試中。 準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，簡稱準(zhǔn)光腔。常用的準(zhǔn)光腔結(jié)構(gòu)有兩種一種是對稱雙凹腔結(jié)構(gòu)，由兩個凹面鏡正對放置而成；一種是平凹腔結(jié)構(gòu)，由一個平面鏡和一個凹面鏡正對放置而成。在毫米波段，準(zhǔn)光腔比較常用的耦合方式是小孔耦合。此種耦合方式能有效的激勵起準(zhǔn)光腔內(nèi)的電磁場，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的特點；但缺點是耦合孔的位置一旦確定，電磁波耦合能量的大小也就相應(yīng)確定下來，不具有可調(diào)性。文獻“Gaussian-BeamOpen Resonator with Highly Reflective CircularCoupling Regions，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1993，vol.41, No. 10，pl71(Tl714. ”提出了一種采用金屬柵欄薄膜進行電磁波能量耦合的方式，但此種能量耦合方式對金屬條欄的間距要求比較苛刻，需要很高的加工工藝。文獻“TheInfluence of a Coupling Film on Ultra-Low-Loss DielectricMeasurement Using an Open Resonator,Journal Millimeter TerahertzWaves, 2011，vol. 32，p935_942.，，和文獻 “Measurement of Dielectric Properties forLow-Loss Materials at Millimeter Wavelengths, Journal Millimeter TerahertzWaves, 2012，vol. 32，p838^847. ”采用在球面鏡間斜插入一塊耦合膜片進行能量耦合，膜片的插入角度需與準(zhǔn)光腔的光軸呈45°角。系統(tǒng)利用天線將發(fā)射電磁波對準(zhǔn)光腔進行激勵。此耦合方式適合于太赫茲頻段，運用毫米波段系統(tǒng)構(gòu)成太復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便和耦合能量可調(diào)的特點，適用于微波、毫米波寬頻段范圍電介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)的測試。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，如圖1、2所示，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I、同軸線耦合圓環(huán)2和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。所述準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I為由兩個凹面鏡正對放置而成的對稱雙凹腔或由一個平面鏡和一個凹面鏡正對放置而成的平凹腔。所述同軸線耦合圓環(huán)(2)為連接同軸線內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的圓環(huán)狀金屬導(dǎo)體。對于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I為對稱雙凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置而言，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3產(chǎn)生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過對稱雙凹腔中位于第一凹面鏡11中心的耦合孔(即耦合輸入孔)111后經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)21耦合入對稱雙凹腔；對稱雙凹腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)22耦合輸出，穿過對稱雙凹腔中位于第二凹面鏡12中心的耦合孔121后經(jīng)另一段同軸線傳回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。對于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I為平凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置而言，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3產(chǎn)生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過平凹腔中位于凹面鏡11中心附近的輸入耦合孔111后經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)21耦合入平凹腔；平凹腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)22耦合輸出，穿過平凹腔中位于凹面鏡11中心附近的輸出耦合孔121后經(jīng)另一段同軸線傳回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。本發(fā)明提供的基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，具體工作過程是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3產(chǎn)生的測試信號通過同軸線傳輸，穿過準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的耦合輸入孔，經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)21耦合入準(zhǔn)光學(xué)諧振腔；被測介質(zhì)樣品置于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔中(對于對稱雙凹腔而言，被測介質(zhì)樣品置于雙凹腔的正中心；對于平凹腔而言，被測介質(zhì)樣品置于平面鏡的正中心)的測試位置；準(zhǔn)光學(xué)諧振腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)22耦合輸出，穿過準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的耦合輸出孔，最后經(jīng)另一段同軸線傳回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3和相應(yīng)的測試軟件對被測介質(zhì)樣品進行測試。通過調(diào)節(jié)所述第一同軸線耦合圓環(huán)21和第二同軸線耦合圓環(huán)22的尺寸大小能夠?qū)崿F(xiàn)信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調(diào)節(jié)。所述凹面鏡或平面鏡為金屬材料制作或玻璃基底加表面金屬化制作。本發(fā)明提供的基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，對信號耦合方式進行了改進，在采用準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的直接耦合孔基礎(chǔ)上，增加了連接同軸線內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的圓環(huán)狀金屬導(dǎo)體-同軸線耦合圓環(huán)，由于同軸線耦合圓環(huán)的尺寸大小能夠任意調(diào)節(jié)，這樣就能夠通過調(diào)節(jié)同軸線耦合圓環(huán)的尺寸大小來實現(xiàn)信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了耦合能量的可調(diào)性。同時，本發(fā)明提供的基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置沒有采用金屬柵欄薄膜或耦合膜片的能量耦合方式，使得本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方面的特點。


圖I是本發(fā)明提供的基于對稱雙凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的基于平凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是對稱雙凹腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是平凹腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是對稱雙凹腔中凹面鏡示意圖。圖6是平凹腔中凹面鏡示意圖。圖I至圖6中1是準(zhǔn)學(xué)諧振腔，2是同軸線耦合圓環(huán)，3是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；11是 對稱雙凹腔中第一凹面鏡或平凹腔中凹面鏡，12是對稱雙凹腔中第二凹面鏡或平凹腔中平面鏡，21是第一同軸線耦合圓環(huán)，22是第二同軸線耦合圓環(huán)，111是對稱雙凹腔中第一凹面鏡中心的輸入能量耦合孔或平凹腔中凹面鏡中心附近的輸入能量耦合孔，121對稱雙凹腔中第二凹面鏡中心的輸出能量耦合孔或平凹腔中凹面鏡中心附近的輸出能量耦合孔。
具體實施例方式一種基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，如圖1、2所示，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I、同軸線耦合圓環(huán)2和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。所述準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I為由兩個凹面鏡正對放置而成的對稱雙凹腔或由一個平面鏡和一個凹面鏡正對放置而成的平凹腔。所述同軸線耦合圓環(huán)(2)為連接同軸線內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的圓環(huán)狀金屬導(dǎo)體。對于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I為對稱雙凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置而言，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3產(chǎn)生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過對稱雙凹腔中位于第一凹面鏡11中心的耦合孔(即耦合輸入孔)111后經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)21耦合入對稱雙凹腔；對稱雙凹腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)22耦合輸出，穿過對稱雙凹腔中位于第二凹面鏡12中心的耦合孔121后經(jīng)另一段同軸線傳回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。對于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I為平凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置而言，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3產(chǎn)生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過平 凹腔中位于凹面鏡11中心附近的輸入耦合孔111后經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)21耦合入平凹腔；平凹腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)22耦合輸出，穿過平凹腔中位于凹面鏡11中心附近的輸出耦合孔121后經(jīng)另一段同軸線傳回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。通過調(diào)節(jié)所述第一同軸線耦合圓環(huán)21和第二同軸線耦合圓環(huán)22的尺寸大小能夠?qū)崿F(xiàn)信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調(diào)節(jié)。所述凹面鏡或平面鏡為金屬材料制作或玻璃基底加表面金屬化制作。本發(fā)明提供的基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，具體工作過程是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3產(chǎn)生的測試信號通過同軸線傳輸，穿過準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的耦合輸入孔，經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)21耦合入準(zhǔn)光學(xué)諧振腔；被測介質(zhì)樣品置于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔中(對于對稱雙凹腔而言，被測介質(zhì)樣品置于雙凹腔的正中心；對于平凹腔而言，被測介質(zhì)樣品置于平面鏡的正中心)的正中位置；準(zhǔn)光學(xué)諧振腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)22耦合輸出，穿過準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的耦合輸出孔，最后經(jīng)另一段同軸線傳回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3和相應(yīng)的測試軟件對被測介質(zhì)樣品進行測試。利用基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置進行介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測量過程如下首先利用網(wǎng)絡(luò)分析儀3測出準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I空載時的諧振頻率&和品質(zhì)因數(shù)Qtl ;然后將被測介質(zhì)樣品置于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I的負(fù)載位置(對于對稱雙凹腔而言，被測介質(zhì)樣品置于雙凹腔的正中心；對于平凹腔而言，被測介質(zhì)樣品置于平面鏡的正中心)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀3測出準(zhǔn)光學(xué)諧振腔I加載被測介質(zhì)樣品后的諧振頻率&和品質(zhì)因數(shù)Qs ;再根據(jù)腔體加載樣品前后的諧振頻率和無載品質(zhì)因數(shù)的變化，可計算得到介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)和損耗角正切。其計算公式如下根據(jù)準(zhǔn)光學(xué)諧振腔基模諧振頻率公式
..QII-Jwij =—[t/+1 +—arctat^； /.)/(/<) -/.))](I)
'Al JK式中，c為光速，D為準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的腔長(從耦合孔下端到平面鏡上端的距離)，R0為球面鏡的曲率半徑，Q為準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的縱向模數(shù)。由先前記錄的空腔諧振頻率&和腔長D (測量得到的)，即可反算出基模的諧振模式。當(dāng)諧振模式確定后，根據(jù)空腔諧振頻率fo和q值，可以反算出更加精確的腔長D。樣品的相對介電常數(shù)的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔(I)、同軸線耦合圓環(huán)(2)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(3);所述準(zhǔn)光學(xué)諧振腔(I)為由兩個凹面鏡正對放置而成的對稱雙凹腔或由一個平面鏡和一個凹面鏡正對放置而成的平凹腔；所述同軸線耦合圓環(huán)(2)為連接同軸線內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的圓環(huán)狀金屬導(dǎo)體； 對于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔(I)為對稱雙凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置而言，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(3)產(chǎn)生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過對稱雙凹腔中位于第一凹面鏡(11)中心的輸入能量I禹合孔(111)后經(jīng)第一同軸線稱合圓環(huán)(21) f禹合入對稱雙凹腔；對稱雙凹腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)(22)耦合輸出，穿過對稱雙凹腔中位于第二凹面鏡(12)中心的輸出能量耦合孔(121)后經(jīng)另一段同軸線傳回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(3);對于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔(I)為平凹腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置而言，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(3)產(chǎn)生的測試信號通過一段同軸線傳輸，穿過平凹腔中位于凹面鏡(11)中心附近的輸入能量耦合孔(111)后經(jīng)第一同軸線耦合圓環(huán)(21)耦合入平凹腔；平凹腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)(22)耦合輸出，穿過平凹腔中位于凹面鏡(11)中心附近的輸出能量耦合孔(121)后經(jīng)另一段同軸線傳回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述第一同軸線耦合圓環(huán)(21)和所述第二同軸線耦合圓環(huán)(22)的尺寸大小能夠?qū)崿F(xiàn)信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，其特征在于，所述凹面鏡或平面鏡為金屬材料制作或玻璃基底加表面金屬化制作。
全文摘要
一種基于準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)測試裝置，屬于介質(zhì)材料測試技術(shù)領(lǐng)域。包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、同軸線耦合圓環(huán)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；準(zhǔn)光學(xué)諧振腔為對稱雙凹腔或平凹腔；同軸線耦合圓環(huán)為連接同軸線內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的圓環(huán)狀金屬導(dǎo)體。測試信號經(jīng)同軸線、耦合輸入孔和第一同軸線耦合圓環(huán)進入諧振腔；諧振腔所產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)第二同軸線耦合圓環(huán)輸出，穿過耦合輸出孔，最后經(jīng)另一段同軸線傳回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。本發(fā)明在準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的直接耦合孔基礎(chǔ)上，增加了同軸線耦合圓環(huán)，通過調(diào)節(jié)同軸線耦合圓環(huán)的尺寸大小實現(xiàn)了信號耦合輸入能量和耦合輸出能量大小的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了耦合能量的可調(diào)性。同時，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方面的特點。
文檔編號G01R27/26GK102707155SQ20121018140
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者何鳳梅, 戈弋, 李恩, 聶瑞星, 郭高鳳, 陳聰慧, 高源慈 申請人:電子科技大學(xué)