一种多频点材料测试系统及方法技术方案

本公开公开了一种多频点材料测试系统及方法，通过同轴开式谐振腔的主模没有杂模干扰的优点，通过谐振频点的偏移推出被测材料的介电常数，再通过算法反推出更高频段内的谐振频点偏移后的大致所在位置，从而扩展了测试频率的范围，本公开的多频点材料测试方法适用于大多数材料的测量，尤其适用于石英、聚四氟乙烯、蓝宝石、刚玉、陶瓷等介电特性随频率变化小的材料的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种多频点材料测试系统及方法
本公开涉及微波测量相关
，具体的说，是涉及一种多频点材料测试系统及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。微波材料作为电磁波传输媒质已广泛的应用于微波的各个领域，比如微波电路、通信、雷达隐身等。微波材料的电磁参数完全决定了电磁波在其中的传播特性。准确了解电磁参数值，对于微波能的应用和材料在微波频段的各类应用是必不可少的。介质材料的电磁参数一般是指复介电常数和复磁导率，其中主要集中于其介电特性的研究，有关材料磁特性的测量只占少数，介电常数通常以复数形式ε(jω)＝ε′(jω)-jε″(jω)，它是描述材料和电磁场相互作用最基本的特征参数。目前，材料的电磁参数测试方法按测量原理可分为传输线法、谐振腔法两大类。但这两种方法都各自存在一些问题，比如传输线法测试精度不高，制作样品不方便，并且校准精度要求高；谐振腔法是基于微扰法进行的测试，谐振腔体法的原理是将材料样品放入封闭或者开放的谐振腔体中，根据放入前后其谐振频率和品质因子Q值的变化来确定样品复介电常数和复磁导率，通常是将样品置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品的复介电常数，用谐振腔法来测量材料的介电特性的优点是测试精度高。用来测量材料的介电特性缺点是只能进行点频测试，且由于杂模影响，可使用的测试频点少，可测带宽窄，对于高频的测试难度大。而且微扰法的谐振腔是圆柱或矩形的空心腔体结构，测量要满足被测样品的尺寸少于腔体尺寸的几十分之一，使得夹具尺寸太小，没有实用性。多频点测试需要在多个工作于不同频率的谐振腔内进行，这对于金属谐振腔无论是矩形的还是圆形的谐振腔都会大大增加测试成本，现有的谐振腔法测量材料的复介电常数，无法实现多频点测量。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种多频点材料测试系统及方法，根据同轴开式谐振腔的主模没有杂模干扰的优点，通过谐振频点的偏移推出被测材料的介电常数，再通过算法反推出更高频段内的谐振频点偏移后的大致所在位置，从而扩展了测试频率的范围。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：一种或多个实时例提供了一种多频点材料测试系统，包括矢量网络分析仪和同轴开式谐振腔；所述同轴开式谐振腔包括外导体、内导体、第一信号耦合环和第二信号耦合环；外导体为含有开口端的中空圆柱体，内导体为实心圆柱体，内导体固定在外导体的内部并与外导体同轴设置，开口端的开口的中心设置在内导体和外导体轴线上，开口的端面与内导体3和外导体2轴线垂直，所述内导体和外导体之间形成空腔并通过所述开口与外界相通形成开式的谐振腔，所述开口处用于放置待测材料；所述第一信号耦合环和第二信号耦合环设置在外导体的内表面，所述同轴开式谐振腔通过第一信号耦合环和第二信号耦合环与矢量网络分析仪连接。进一步的，所述外导体的开口端为圆台体形状，开口设置在圆台体的顶部，所述开口为圆形。进一步的，所述内导体靠近开口的一端为圆锥体。进一步的，所述内导体和外导体材料为铜。一种或多个实时例提供了一种基于上述一种多频点材料测试系统的测试方法，包括如下步骤：1)通过矢量网络分析仪测得不放置材料时第p个模式TEMp模式下的空腔的谐振频率及品质因数，若n表示第n个TEM波，此时n＝p,p为自然数，且p≤5；2)分别测量TEMp模式下放置已知复介电常数的标准样品与被测样品时谐振频率和品质因数，标准样品至少为两个；3)根据TEMp模式下测量的标准样品与被测样品的谐振频率和品质因数计算被测样品的复介电常数；4)根据步骤3)计算的被测样品的复介电常数反推更高频的第q个模式TEMq波下的谐振频率偏移量，此时n＝q,q为自然数，q>p；5)在第q个TEM波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率和品质因数；6)根据步骤5)测量的谐振频率和品质因数和步骤(3)的计算方法计算在第q个TEM波模式下被测样品的介电常数。进一步的，所述步骤3通过如下公式计算：其中，n表示第n个TEM波，m为样品号，Δfmn＝fmn-f0n，A、T、G为中间变量。进一步的，所述步骤(3)的计算方法具体为：根据标准样品第n个TEM波模式下测量的谐振频率和品质因数,通过公式(2)和公式(3)计算获得中间变量A、T、G的数值。根据获得的中间变量A、T、G的数值以及被测样品的谐振频率和品质因数，计算在第n个TEM波模式下被测样品的介电常数。进一步的，所述步骤4)反推在TEMq模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量的步骤具体为：4-1)根据同轴开式谐振腔高度与TEM模的谐振频率关系和仿真获取第q个模式TEMq波下的空腔谐振频率的大概位置，通过矢量网络分析仪搜索测出TEMq模式下的空腔谐振频率和品质因数；4-2)根据步骤4-1)测得的TEMq模式下的空腔谐振频率、TEMq模式下放置标准样品时的谐振频率和品质因数以及TEMp模式下计算被测样品的复介电常数的实部，计算在TEMq模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量。进一步的，一种多频点材料的测试方法当p＝1时，包括如下步骤：01)通过矢量网络分析仪测试不放置材料时TEM1模式下的空腔的谐振频率f01及品质因数Q01；02)分别放置已知复介电常数(ε1'、ε1"、ε2'、ε2")的标准样品1,2及被测样品3时所获得的谐振频率f11、f21、f31及品质因数Q11、Q21、Q31；03)将f11、f21、Q11、Q21、ε1'、ε2'、ε1"、ε2"带入公式(2)和(3)获取中间变量A、T、G；其中，n表示第n个TEM波，m为样品号，Δfmn＝fmn-f0n，A、T、G为中间变量；将f31、Q31以及计算得到的A、T、G带入公式(2)、(3)获得样品的复介电常数ε3'、ε3"；04)根据步骤03)计算的被测样品的复介电常数ε3'、ε3"反推第n个模式TEMn波下的谐振频率偏移量Δf3n，此时n>1；5)在第n个TEM波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量Δf3n范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率f3n和品质因数Q3n；6)根据步骤5)测量的谐振频率f3n和品质因数Q3n和步骤(3)的计算方法计算在第n个TEM波模式下被测样品的介电常数ε3'、ε3"。进一步的，所述步骤4)反推在TEMn模式下放置被测样品的谐振频率的偏移量的步骤具体为：041)通过同轴开式谐振腔高度与TEM模的谐振频率关系和仿真可以获取第n个TEM波的空腔谐振频率f0n的大概位置，通过矢量网络分析仪搜索测出TEMn模式下的空腔谐振频率f0n和品质因数Q0n；042)根据TEMn模式下的空腔谐振频率f0n、在TEM1模式计算测得的ε3'以及TEMn模式下放置样品1、2时的测得的f1n、f2n、ε1'、ε2'、ε1"、ε2"带入公式(2)和(3)获取放置样品3时的大概频偏量Δf3n。与现有技术相比，本公开的有益效果为：(1)本公开通过同轴开式谐振腔的主模没有杂模干扰的优点，通过谐振频点的偏移推出被测材料的介电常数，再通过算法反推出更高频段内的谐振频点偏移后的大致所在位置，在偏移的范围内通过矢量网络分析仪进行搜索测量，排除了高频段测量的杂模干扰，从而扩展了测试频率的范围，实现了多频点测量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多频点材料测试系统，其特征是：包括矢量网络分析仪和同轴开式谐振腔；所述同轴开式谐振腔包括外导体、内导体、第一信号耦合环和第二信号耦合环；外导体为含有开口端的中空圆柱体，内导体为实心圆柱体，内导体固定在外导体的内部并与外导体同轴设置，开口端的开口的中心设置在内导体和外导体轴线上，开口的端面与内导体3和外导体2轴线垂直，所述内导体和外导体之间形成空腔并通过所述开口与外界相通形成开式的谐振腔，所述开口处用于放置待测材料；所述第一信号耦合环和第二信号耦合环设置在外导体的内表面，所述同轴开式谐振腔通过第一信号耦合环和第二信号耦合环与矢量网络分析仪连接。

【技术特征摘要】
1.一种多频点材料测试系统，其特征是：包括矢量网络分析仪和同轴开式谐振腔；所述同轴开式谐振腔包括外导体、内导体、第一信号耦合环和第二信号耦合环；外导体为含有开口端的中空圆柱体，内导体为实心圆柱体，内导体固定在外导体的内部并与外导体同轴设置，开口端的开口的中心设置在内导体和外导体轴线上，开口的端面与内导体3和外导体2轴线垂直，所述内导体和外导体之间形成空腔并通过所述开口与外界相通形成开式的谐振腔，所述开口处用于放置待测材料；所述第一信号耦合环和第二信号耦合环设置在外导体的内表面，所述同轴开式谐振腔通过第一信号耦合环和第二信号耦合环与矢量网络分析仪连接。2.如权利要求1所述的一种多频点材料测试系统，其特征是：所述外导体的开口端为圆台体形状，开口设置在圆台体的顶部，所述开口为圆形。3.如权利要求1所述的一种多频点材料测试系统，其特征是：所述内导体靠近开口的一端为圆锥体。4.如权利要求1所述的一种多频点材料测试系统，其特征是：所述内导体和外导体材料为铜。5.一种基于权利要求1-4所述的一种多频点材料测试系统的测试方法，其特征是，包括如下步骤：1)通过矢量网络分析仪测得不放置材料时第p个模式TEMp模式下的空腔的谐振频率及品质因数，若n表示第n个TEM波，此时n＝p,p为自然数，且p≤5；2)分别测量TEMp模式下放置已知复介电常数的标准样品与被测样品时谐振频率和品质因数，标准样品至少为两个；3)根据TEMp模式下测量的标准样品与被测样品的谐振频率和品质因数计算被测样品的复介电常数；4)根据步骤3)计算的被测样品的复介电常数反推更高频的第q个模式TEMq波下的谐振频率偏移量，此时n＝q,q为自然数，q>p；5)在第q个TEM波模式下，通过矢量网络分析仪测量在谐振频率偏移量范围内搜索放置被测样品时的谐振频点的谐振频率和品质因数；6)根据步骤5)测量的谐振频率和品质因数和步骤(3)的计算方法计算在第q个TEM波模式下被测样品的介电常数。6.如权利要求5所述的一种多频点材料的测试方法，其特征是：所述步骤3通过如下公式计算：其中，n表示第n个TEM波，m为样品号，A、T、G为中间变量。7.如权利要求6所述的一种多频点材料的测试方法，其特征是：所述步骤(3)的计算方法具体为：根据标准样品第n个TEM波模式下测量的谐振频率和品质因数,通过公式(2)和公式(3)计算获得中间变量A、T、G的数；根据获得的中间变量A、T、G的数值以及被测样品的谐振频率和品质因数，计算在第n个TEM波模式下被测样...

【专利技术属性】
技术研发人员：江子奇，胡大海，赵锐，殷志军，王亚海，
申请(专利权)人：中电科仪器仪表有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37