材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法技术

本发明专利技术提供一种材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，可实现一个样品宽频复介电常数准确测试。通过对准光腔中高斯波束电磁场相位分布的分析，根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面处实际相位分布函数。通过微扰理论求解样品平面和波前球面间隙中的储能，从而得到由样品表面与波前相位不匹配引起的频移。再结合预设公式对样品上表面处非等相位面进行了修正；修正了准光腔法宽频测试中由于样品厚度带来的非等相位面误差的影响，能够更为有效地进行准光腔法材料复介电常数的宽频测试，提高了准光腔法多模宽频测试的精度。

【技术实现步骤摘要】
材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法
本专利技术属于介质材料测试
，具体涉及微波、毫米波频段准光学谐振腔法介质材料复介电常数宽频测试技术。
技术介绍
在微波介质材料复介电常数测试
，谐振腔法测量由于其灵敏度高、测试准确度高的特点被推广应用。通常在利用谐振法进行微波测量时，在厘米波段中，广泛采用封闭式谐振腔。但在高微波频率段，谐振腔的使用会遇到困难。第一，由于谐振腔尺寸正比于谐振波长，当工作频率提高时，谐振腔的尺寸要相应地减小，谐振腔的Q值也会显著下降，波长相当短时，体积可能会小到无法实现的程度，腔体加工多有不便。特别是对于介质试样，难以确保样品与谐振腔的匹配，同时空气间隙的影响将不可忽略；第二，如果在较高频率上用较大尺寸的封闭谐振腔工作在高次模，在高次模式附近，密集了很多其它模式，模式之间的间隔太密，难以采取有效的模式净化措施，模式的判别也将变得十分困难。而对于准光学谐振腔，这些问题都不存在。由于它的尺寸可以远大于谐振腔的工作波长，使得加工方便，且其谐振模式频谱也较为稀疏，单模性能极好；此外由于准光腔为开放式谐振腔，金属损耗低，选用的工作模式对应的场分布较集中，高斯波束的束腰半径小，辐射损耗小，所以Q值极高。由于准光学谐振腔的一系列优点，它已应用在测量频率、分析频谱、研究毫米波传输特性、测量介质参数、测量高温超导薄膜的Rs参量等多个领域，并显示出良好的性能。由于高斯波束只在束腰处的等相位面为平面，其他位置均为非平面电磁波，而样品通常被制成上下为平面的片状，故为减小测试误差，国内外通常规定待测样品厚度为：式中：n为大于等于2的整数，εr为样品的相对介电常数，λ0为对应谐振波长。由(1)式可知，待测样品的厚度不仅与样品实际的相对介电常数有关，而且与谐振频率也有关，这就需要预先给出一个样品的估计值，并且针对不同频率要求提供对应不同厚度放入样品。待测样品的厚度由(1)式限定为介质内的半波长的整数倍后，由于介质表面上的电场很弱，因此高斯波束等相位面与样品上表面不匹配所带来的影响较小，以此来减小测试误差。然而为了评估材料在较宽频段内的介电性能，往往需要在较大频率范围内对样品进行准确测量。由于上述条件限制，要减小宽频带测试误差则必须针对不同频率范围提供同种材料不同厚度的多个样品，实现起来比较困难，而用单一样品直接进行宽频带测试又将导致较大误差，使得利用准光腔进行宽频准确测试难度大。李英等人编著的《电磁介质谐振器理论与应用》一书在“开放式谐振腔”一章中对介质加载近共焦腔(也称双凹腔)做了理论推导，考虑了介质片表面为平面，而高斯波束在此处的等相位面为非平面，由此导致的不匹配所引起的误差，但书中并未对平凹腔进行相关分析，且未反演到材料复介电常数准光腔法宽频测试中对非等相位面的修正上。
技术实现思路
针对以上现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，以满足对同一厚度样品进行宽频带准确测试的要求。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，包含下列步骤：(1)采用束波理论对准光腔中高斯波束相位分布进行分析；(2)根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度，则由实际介质片表面为平面时引起的误差，求解样品平面和波前球面间隙中的储能，从而得到由该项误差引起的频率偏移(3)根据步骤(2)中获得的介质片上表面为高斯波束的非等相位面而引起频率偏移对加载样品后的谐振腔的谐振频率进行补偿，结合未考虑该误差所得到的复介电常数的计算公式，即可实现对复介电常数的修正。作为优选方式，所述修正方法适用于平凹腔与双凹腔。作为优选方式，用微扰理论求解样品平面和波前球面间隙中的储能。作为优选方式，所述步骤(1)具体为：采用束波理论对准光腔中高斯波束相位分布进行分析；由束波理论与波动方程得高斯波束的相位表达式：式中k为波数，w0为束腰半径，R(z)为波前曲率半径，λ为谐振腔的工作波长，p是场在径向变化的模数，l是场沿方位角变化的整驻波数，p，l均为正整数。作为优选方式，所述步骤(2)具体为：(2)根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度；样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度如下：式中d″＝d+t/n，为样品的折射率，d为样品上表面到凹面镜的距离，t为样品厚度；则由实际介质片表面为平面而非高斯波束等相位面所引起的误差，利用样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度，求解样品平面和波前球面间隙中的储能，从而得到由此引起的频移作为优选方式，所述步骤(3)具体为：(3)根据(2)中获得的介质片上表面为高斯波束的非等相位面而引起频移对加载样品后的谐振腔的谐振频率进行补偿，结合未考虑该误差而得到的复介电常数的计算公式，即可实现对复介电常数的修正；其中，未修正的相对介电常数计算公式如下：未修正的损耗角正切计算公式如下：式中：w0——束腰半径，mm；c——光速，c＝3×1011mm/s；Dq——平面镜到凹面镜的距离，mm；f——谐振频率，Hz；Q0s——放入样品后的无载品质因数；Q1——加入理想无耗样品的无载品质因数；Q00——空腔的无载品质因数。选用平凹腔较为方便样品的取放。本专利技术的有益效果是：本专利技术解决了传统准光腔法难以进行宽频精确测试的问题，考虑了测试样品表面为平面所引起的误差并加以修正，有效提高了同一样品厚度在较宽频率范围内的复介电常数测试精度。附图说明图1是平凹型准光腔内y＝0平面上的电力线分布图。图2在z0＝0(平面镜处)的三个不同主模高斯波束在平面θ＝0处的等相位面曲线。图3加载样品的平凹型准光腔结构示意图。图4为利用同一腔体、同一个样品，采用本专利技术所提出的修正方法前后，在18～40G频带内所得到的复介电常数测试结果对比图。其中，1为球面反射镜，2为高斯波束，3为等相位面，4为样品上表面，5为待测样品，6为平面反射镜。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。一种材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，包含下列步骤：(1)采用束波理论对准光腔中高斯波束相位分布进行分析；由束波理论与波动方程可得高斯波束的相位表达式：式中k为波数，w0为束腰半径，R(z)为波前曲率半径，λ为谐振腔的工作波长，p是场在径向变化的模数，l是场沿方位角变化的整驻波数，p，l均为正整数。(2)根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度。样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度如下：(可参考期刊论文“毫米波准光腔双层介质电介质参数测量新技术,红外与毫米波学报,1994年8月,Vol.13,No.4,p286”)：式中d″＝d+t/n，为样品的折射率，d为样品上表面到凹面镜的距离，t为样品厚度。则由实际介质片表面为平面而非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，其特征在于包含下列步骤：(1)采用束波理论对准光腔中高斯波束相位分布进行分析；(2)根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度；则由实际介质片表面为平面时引起的误差，求解样品平面和波前球面间隙中的储能，从而得到由该项误差引起的频率偏移

【技术特征摘要】
1.一种材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，其特征在于包含下列步骤：(1)采用束波理论对准光腔中高斯波束相位分布进行分析；(2)根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面实际的相位分布以及电场与磁场强度；则由实际介质片表面为平面时引起的误差，求解样品平面和波前球面间隙中的储能，从而得到由该项误差引起的频率偏移(3)根据步骤(2)中获得的介质片上表面为高斯波束的非等相位面而引起频率偏移对加载样品后的谐振腔的谐振频率进行补偿，结合未考虑该误差所得到的复介电常数的计算公式，即可实现对复介电常数的修正。2.根据权利要求1所述的材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，其特征在于：所述修正方法适用于平凹腔与双凹腔。3.根据权利要求1所述的材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，其特征在于：用微扰理论求解样品平面和波前球面间隙中的储能。4.根据权利要求1所述的材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，其特征在于所述步骤(1)具体为：采用束波理论对准光腔中高斯波束相位分布进行分析；由束波理论与波动方程得高斯波束的相位表达式：式中k为波数，w0为束腰半径，R(z)为波前曲率半径，λ为谐振腔的工作波长，p是场在径向变化的模数，l是场沿方位角变化的整驻波数，p、l均为正整数。5.根据权利要求1所述的材料复介电常数准光腔法宽频测试非等相位面修正方法，其特征在于所述步骤(2)具体为：(2)根据待测样品上表面，即空气与介质区域分界面处束腰半径的匹配关系，获得样品上表面实际的相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恩，郭高凤，张云鹏，张俊武，何凤梅，邹翘，余承勇，高冲，高勇，李亚峰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51