本發(fā)明屬于介電常數(shù)微波測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電介質(zhì)介電常數(shù)微波測量裝置。

背景技術(shù)：

物質(zhì)的介電常數(shù)一直是物質(zhì)與微波相互作用研究中的一個基礎(chǔ)而重要的問題。用來測量介電常數(shù)的方法有很多，主要可以分為諧振法和非諧振法。其中非諧振法相對簡單，在非諧振法中，傳輸-發(fā)射法在寬帶測量中得到了廣泛的應(yīng)用，甚至被用來測量低損耗物質(zhì)的介電常數(shù)。這種測量方法是通過加載被測物前后測試裝置的散射參數(shù)的幅度和相位的信息，通過復(fù)雜的去嵌入或者反演算法完成材料介電常數(shù)的計算及提取。因此測量時必須精確地獲取散射參數(shù)。尤其是當(dāng)兩種媒質(zhì)的介電常數(shù)非常接近時，所測得的散射參數(shù)的信息也會非常接近，傳統(tǒng)輸出-反射法如同軸線測量無法精準(zhǔn)區(qū)分這些微小變化的信息，從而影響了對物質(zhì)介電特性的判斷。本發(fā)明提供了一種基于混合環(huán)結(jié)構(gòu)輸出端口終端開路的新型的測量裝置，采用兩路比較法提高測試靈敏度，實現(xiàn)了區(qū)分介電常數(shù)微小變化信息的測試。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種基于混合環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)合終端開路的電介質(zhì)介電常數(shù)微波測量裝置，該測量裝置是通過在寬帶混合環(huán)的兩個輸出端口末端加載終端開路的支節(jié)組成的陣列附加結(jié)構(gòu)來構(gòu)成的，即采用終端開路的支節(jié)結(jié)構(gòu)加載在兩個輸出端口上，從而組成陣列結(jié)構(gòu)形式連同兩個輸出端口開路的混合環(huán)構(gòu)成的新型結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高整個測量裝置介電常數(shù)測量靈敏度的目的。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，電介質(zhì)介電常數(shù)微波測量裝置，其特征在于包括一個槽線結(jié)構(gòu)的混合環(huán)，該混合環(huán)包括設(shè)置輸入端口、隔離端口及兩個同相輸出端口，混合環(huán)四分之一波長部分采用槽線與各端口相連，其中輸入端口及兩個輸出端口均采用對稱共面波導(dǎo)傳輸線，并在兩個輸出端口的中間導(dǎo)帶上對稱加載有多組陣列支節(jié)，該陣列支節(jié)由終端開路的共面波導(dǎo)傳輸線構(gòu)造，從輸入端口到兩個終端開路的同相輸出端口形成兩條信號傳輸支路，其中一側(cè)的信號傳輸支路上設(shè)有用于盛放待測溶液的塑料管，隔離端口采用微波槽線。測試過程中，輸入端口及隔離端口分別通過SMA接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的隔離端口采用刻蝕工藝制作有與微波槽線共面的巴倫，完成同軸接口與槽線結(jié)構(gòu)之間的平衡/非平衡信號轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本發(fā)明提供的新型結(jié)構(gòu)的兩個同相輸出端口末端開路并加載陣列支節(jié)的混合環(huán)測量裝置，在測量裝置保持相同容積的實驗條件下，對不同濃度的待測溶液進(jìn)行測量，采用FEM數(shù)值算法探索了該測量裝置感知介電常數(shù)微弱變化信息的極限，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)傳輸線方法，而且與單端口的同軸線測量方法相比，本發(fā)明提出的測量裝置為雙端口測量，可避免多解問題，因而其介電常數(shù)的測量結(jié)果更加精確可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中輸出端口開路并加載陣列支節(jié)的混合環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中輸出端口開路并加載陣列支節(jié)的混合環(huán)空載時散射參數(shù)示意圖；

圖4是本發(fā)明中輸出端口開路并加載陣列支節(jié)的混合環(huán)負(fù)載時散射參數(shù)示意圖。

圖中：1、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，2、塑料管，3、待測溶液，4、輸入端口，5、隔離端口，6、同相輸出端口，7、陣列支節(jié)，8、槽線，9、SMA接頭，10、傳輸線路，11、參考線路，12、巴倫。

具體實施方式

以下通過實施例對本發(fā)明的上述內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不應(yīng)該將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

如圖1-2所示，電介質(zhì)介電常數(shù)微波測量裝置，包括一個槽線結(jié)構(gòu)的混合環(huán)，該混合環(huán)包括設(shè)置于輸入端口4和隔離端口5及兩個同相輸出端口6，混合環(huán)四分之一波長部分采用槽線8與各端口相連，其中輸入端口4和兩個同相輸出端口6均采用對稱共面波導(dǎo)傳輸線，在同相輸出端口6的中間導(dǎo)帶上對稱加載有多組陣列支節(jié)7，該陣列支節(jié)7為終端開路的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從輸入端口4到兩個終端開路的同相輸出端口6形成兩條信號傳輸支路，其中一側(cè)的信號傳輸支路上設(shè)有用于盛放待測溶液3的塑料管2，隔離端口5采用微波槽線，在隔離端口5采用刻蝕工藝制作有與槽線共面的巴倫12，完成同軸接口與槽線結(jié)構(gòu)之間的平衡/非平衡信號轉(zhuǎn)換。測試過程中巴倫12及輸入端口4分別通過SMA接頭9與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1相連。

采用有限元（FEM）數(shù)值方法對整個測量裝置進(jìn)行模擬，按照實際尺寸建造如圖2所示的測量裝置模型結(jié)構(gòu)，分別仿真出兩個同相輸出端口6開路并加載陣列支節(jié)7的混合環(huán)不放置任何待測溶液時的散射參數(shù)，如圖3所示。

理想情況下，微波信號由輸入端口4輸入，經(jīng)四分之一波長變換大部分信號等幅同相到達(dá)兩個同相輸出端口6，隔離端口5無信號輸出。將由輸入端口4的信號傳輸?shù)酵噍敵龆丝?的兩條信號傳輸支路分別稱為傳輸線路10和參考線路11。當(dāng)將不同濃度的乙醇溶液放置于傳輸線路10中的塑料管2內(nèi)時，相當(dāng)于在測量裝置內(nèi)引入了不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，原有的信號傳輸平衡狀態(tài)將被打破，從而使測量裝置的輸入端口4及隔離端口5的散射參數(shù)信息發(fā)生變化，本發(fā)明正是根據(jù)這些變化信息計算待測溶液3的介電常數(shù)。

由于與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1相連的接口為特征阻抗為50Ω的同軸線接口，這種同軸線接口是大多數(shù)儀器及信號發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)接口。由于同軸是非平衡接口與槽線結(jié)構(gòu)的平衡傳輸特性不匹配，需要在同軸接口與槽線結(jié)構(gòu)之間采用平衡/非平衡轉(zhuǎn)換。本發(fā)明給出了寬帶范圍內(nèi)平衡/非平衡轉(zhuǎn)換巴倫，即根據(jù)不同參數(shù)采用刻蝕工藝制作有與隔離端口5微波槽線共面的巴倫12，從而達(dá)到最佳匹配效果，完成平衡/非平衡信號轉(zhuǎn)換。

為了驗證本發(fā)明提出的同相輸出端口6開路并加載陣列支節(jié)7的混合環(huán)測量裝置在感知介電常數(shù)微小變化的有效性，下面通過實施例進(jìn)行了一些相關(guān)的測量，即將摩爾濃度分別為0.05(x1）、0.09(x2)、0.12(x3)及0.14(x4)的乙醇溶液分別放置于上述的塑料管2內(nèi)，其計算的測量裝置的散射參數(shù)信息如圖4所示，從圖4（a）和（b）可以看出，當(dāng)測量裝置放上待測溶液2時，整個測量裝置的端口的散射參數(shù)發(fā)生了明顯的變化。并且圖4也說明了該測量裝置可感知的乙醇溶液的最小摩爾濃度差為0.02。表明本發(fā)明提出同相輸出端口6開路并加載陣列支節(jié)7的混合環(huán)測量裝置在微波波段內(nèi)寬帶感知介電常數(shù)的微弱變化是十分有效的。

研究表明，采取兩線路相比較的測試方法。即一條為參考線路11，其上放置參考材料，另一條為傳輸線路10，其上放置被測材料，可大大提高測試靈敏度。本發(fā)明無需任何參考物，所述的參考物與被測物相同指的是整個測量裝置不放置任務(wù)物質(zhì)（空載），當(dāng)將被測物放置于塑料管中時稱之為負(fù)載，本發(fā)明是通過空載及負(fù)載兩種情況下散射參數(shù)的對比，進(jìn)而獲得待測溶液的介電常數(shù)。并且本發(fā)明所提出的測量裝置在兩同相輸出端口6的末端加載陣列支節(jié)7，其增強(qiáng)了電磁場對待測溶液的作用，并敏感感知介電常數(shù)的微小變化引起的微弱的散射參數(shù)信息，因此可大幅度提高整個測量裝置的靈敏度。

以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。