一种材料介电性能的精确测试方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种材料介电性能的精确测试方法及系统，包括：通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；对所述等式关系进行线性化处理；根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。本发明专利技术有益效果：采样点数越多，有效利用了所有的数据采样点，充分利用幅度相位信息，在不增加任何硬件成本的前提下，提高谐振频率和品质因数提取精度，降低随机噪声对提取精度的影响。

An accurate testing method and system for dielectric properties of materials

【技术实现步骤摘要】
一种材料介电性能的精确测试方法及系统
本专利技术属于材料介电性能测试
，尤其涉及一种材料介电性能的精确测试方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。在材料介电性能的测试中，用谐振腔法来测量材料的介电特性是通过获得谐振频率和品质因数来计算获得。因此获取谐振频率和品质因数的精确度越高，材料测试测试的精度就越高。本专利技术针对的是一种精确获取谐振腔谐振频率与品质因数的方法，利用矢网获得的S参数的幅度相位的扫频信号，通过一种线性回归方式，减少矢网获取信号的误差，提高谐振频率和品质因数获取的精度，从而提高谐振腔法材料测试的测试精度。矩形谐振腔微扰法的测量原理如图1所示，选取适当的矩形腔尺寸使TE10n(n为奇数)模式图1所示为典型的谐振腔法材料测试场景示意图，利用信号产生与收发设备进行信号的产生与接收，常用的信号收发设备为矢量网络分析仪或标量网络分析仪，激励谐振腔产生谐振曲线，谐振曲线包含当前测试信号的谐振频率和品质因数，3dB法谐振频率和品质因数提取原理示意图如图2所示，首先搜索测试数据的最大值，记为Amax，其对应的频率f0即为当前测试数据的谐振频率，然后计算最大减3dB对应的频率，记为Amax-3dB，Amax-3dB对应的频率包含左右两个，记为f2、f1，于是当前测试数据的品质因数采用公式(1)进行计算，f0和即为测试数据的谐振频率和品质因数。上述的获取谐振腔谐振频率与品质因数的方法优点是计算简单，但是，测试时受环境因素影响大，获取的谐振频率和Q值波动大，导致介电特性的测试结果波动大，测试误差大。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种材料介电性能的精确测试方法及系统，利用矢网获得的S参数的幅度相位的扫频信号，通过一种线性回归方式，减少矢网获取信号的误差，提高谐振频率和品质因数获取的精度，从而提高谐振腔法材料测试的测试精度。在一些实施方式中，采用如下技术方案：一种材料介电性能的精确测试方法，包括：通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；对所述等式关系进行线性化处理；根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种材料介电性能的精确测试系统，包括：用于通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线的装置；用于记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据的装置；用于建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系的装置；用于对所述等式关系进行线性化处理的装置；用于根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式的装置；用于通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽的装置；用于根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素的装置；用于通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性的装置。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的材料介电性能的精确测试方法。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的材料介电性能的精确测试方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术方法采样点数越多，有效利用了所有的数据采样点，充分利用幅度相位信息，在不增加任何硬件成本的前提下，提高谐振频率和品质因数提取精度，降低随机噪声对提取精度的影响。(2)本专利技术采样带宽与3dB宽度之比在1.5～2之间，获取谐振频率和品质因数更精确。(3)本专利技术适用于利用矢量网络分析仪搭建的谐振腔材料测试系统；可适用于分体式谐振腔、同轴谐振腔、矩形波导谐振腔等多种谐振腔材料测试方法。附图说明图1为现有技术中谐振腔法测量图；图2为现有技术中3dB法谐振频率和品质因数提取原理示意图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。实施例一在一个或多个实施方式中，公开了一种材料介电性能的精确测试方法，具体包括如下步骤：(1)首先，按图1所示进行信号产生于接收设备和谐振腔之间的连接，激励腔体得到谐振曲线，记录其测试频率数据为f1,f2,…fj，与测试频率一一对应的复信号数据为S21(f1),S21(f2),…S21(fj)；谐振频率与品质因数是这多个测试频率和复信号提取出的唯一的特征值。(2)建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；复传输系数S21(f)可以被表示为：其中，f为测试频率，S21(f)为矢网获取的每个对应频率f的复信号，fB为3dB扫频带宽，fR为谐振频率，为与频率无关的相位常量，|S21|max为矢网获取的谐振频率点的幅度值，i为复数形式。通过公式(2)可以计算出谐振频率fR以及3dB带宽fB，由于品质因素Q＝fR/fB，因此通过求解该公式可以得到谐振频率以及品质因数。(3)对所述等式关系进行线性化处理；对式(2)进行简化：式(3)中：将式(3)转化为线性公式：式(6)中，(4)根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；根据最小二乘法求解原理，定义最小二乘法公式为：式中j表示采样频率点,Wj为每个频率点数据对应的权重系数，χ2为最小二乘法的一个中间变量。(5)通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；通过复线性回归得到：Wj＝A|S21(fi)|4(10)式中A为未知常量。令其中，a、b、p、q、uj、vj分别为上式中实部和虚部的未知变量；通过对公式(9)进行a、b、p、q求偏导可得到下列方程组：求解该方程组可以得到a、b、p、q从而通过式(11)、(12)得到再通过(4)、(5)、(7)、(8)可以得到fR、fB。从而得谐振频率fR和品质因数：Q＝fR/fB。可见，采用本专利技术的提取方法，每个采样数据均对参数的提取作了贡献，因而能够有效抑制杂波和噪声，提高测试精度。实施例二在一个或多个实施例中，公开了一种材料介电性能的精确测试系统，包括：用于通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线的装置；用于记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据的装置；用于建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系的装置；用于对所述等式关系进行线性化处理的装置；用于根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式的装置；用于通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽的装置；用于根据谐振频率和3dB带宽求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，包括：通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；对所述等式关系进行线性化处理；根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。

【技术特征摘要】
1.一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，包括：通过谐振腔法激励谐振腔获得谐振曲线；记录测试频率以及与测试频率一一对应的复信号数据；建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系；对所述等式关系进行线性化处理；根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式；通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽；根据谐振频率和3dB带宽求得品质因素；通过谐振频率和品质因数获得材料的介电特性。2.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，建立复信号数据与测试频率、谐振频率和3dB带宽之间的等式关系，具体为：其中，f为测试频率，S21(f)为获取的每个对应频率f的复信号，fB为3dB扫频带宽，fR为谐振频率，为与频率无关的相位常量，|S21|max为获取的谐振频率点的幅度值。3.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，对所述等式关系进行线性化处理，具体为：将所述等式关系简化为：其中，将简化后的等式转化为线性公式，其中，4.如权利要求1所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，根据线性化处理后的等式关系建立最小二乘法公式，具体为：其中，j表示采样频率点,Wj为每个频率点数据对应的权重系数；χ2为最小二乘法的一个中间变量。5.如权利要求4所述的一种材料介电性能的精确测试方法，其特征在于，通过对最小二乘法公式求偏导得到谐振频率和3dB带宽，具体为：通过复线性回归得到Wj...

【专利技术属性】
技术研发人员：江子奇，胡大海，赵锐，邹翘，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