基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置和方法制造方法及图纸

本公开提供了一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置和方法。其中，基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，包括样品盒，所述样品盒用于盛放待测样品；所述样品盒两侧设置分别设置有第一天线和第二天线，所述样品盒与第一天线之间设置有第一透镜，所述样品盒与第二天线之间设置有第二透镜，所述第一天线与第一太赫兹源相连，所述第二天线与第二太赫兹源相连，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源用于产生相同频率的太赫兹信号并分别经第一天线和第二天线相对发射，所述第一天线和第二天线还用于接收相应传输及反射太赫兹信号并传送至计算机；所述计算机用于获取空气、空样品盒和设置有待测样品的样品盒三种状态下的S参数矩阵，计算出待测样品本身的S参数，进而再利用NRW算法，反演计算得到待测样品的介电特性。

Device and method for measuring dielectric properties of samples based on THz free space method

【技术实现步骤摘要】
基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置和方法
本公开属于样品介电特性测试领域，尤其涉及一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置和方法。
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。粉末材料的介电特性测试，在微波低频段利用平行板电容或者谐振腔法都能比较方便、精确的获取结果，但是在太赫兹频段，由于波长更小，不论是电容板还是谐振腔，其需要的样本承载结构变小，加工难度增加而测试精度减小。因此在太赫兹频段被广泛使用的是自由空间测试方法，但是自由空间方法需要样本表面平整、光滑，并且根据不同的波长需要的样品大小也不一样，因此对于粉末材料的测试，需要把粉末装进两侧面光滑、足够大的方形盒子中，通过测试盒子与粉末的介电谱进而计算粉末的介电特性。太赫兹介电谱是指被测物质的复介电常数(又称：复电容率)与太赫兹频率或者温度相依存性的物理量，是研究物质与太赫兹波相互作用的一种方法。其主要参数是复介电常数、复电导率和损耗角正切等。利用复介电常数通过简单的计算即可的到其他的几种电磁参数。复介电常数包含实部ε'和虚部ε”，其中实部ε'表示物质存储电荷的能力，虚部ε”表示物质的损耗。在微波较低频段，针对粉末材料介电谱的测试方法主要有谐振腔法和网络参数法。谐振腔法是将样品放入谐振腔中，根据放入样品前后谐振频率和品质因子Q的变化来解出材料的复介电常数和磁导率，具有比较高的测试精度，但是在极高频率的太赫兹波下，谐振腔需要腔体很小，需要很高的加工工艺和精度要求，成本也相应大大增加。网络参数法采用通过样品后的复反射/复传输参数(S参数)计算材料的复介电常数和复磁导率，包括同轴线法、终端开路法、波导传输反射法和终端短路法，随着测试频率升高，这些方法需要的夹具更小，制作难度增加，这些方法在高频不再适合。自由空间法是网络参数法中传输线法的一种，1987年，美国人CullerA.L.从菲涅尔公式出发，给出了自由空间法测量材料电磁参数的计算公式，其测试原理是利用聚焦透镜喇叭天线发射电磁波照射到测试样品时，发生反射和透射现象，利用网络分析仪接收反射和透射信号并与基准信号对比，进而计算出材料的电磁参数。自由空间法对样品要求简单，只需要加工的样品双面平坦、相对电磁波散射面积足够大，以保证电磁波在照射到样品时信号强度一致，同时减小电磁波绕射。专利技术人发现，自由空间材料测试法具有非接触及非破坏的特点，并可以对液体、粉末进行测试，在微波领域发展为一种较好的测试手段，但是其设备(特别是天线)体积较大，测试精度较低。
技术实现思路
为了解决上述问题，本公开提供一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置和方法，其测试精度较高，测试的频率可以根据系统自由设置，适用于太赫兹波低频段。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：本公开的第一个方面提供一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其包括：样品盒，所述样品盒用于盛放待测样品；所述样品盒两侧设置分别设置有第一天线和第二天线，所述样品盒与第一天线之间设置有第一透镜，所述样品盒与第二天线之间设置有第二透镜，所述第一天线与第一太赫兹源相连，所述第二天线与第二太赫兹源相连，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源用于产生相同频率的太赫兹信号并分别经第一天线和第二天线相对发射，所述第一天线和第二天线还用于接收相应传输及反射太赫兹信号并传送至计算机；所述计算机)用于获取空气、空样品盒和设置有待测样品的样品盒三种状态下的S参数矩阵，计算出待测样品本身的S参数，进而再利用NRW算法，反演计算得到待测样品的介电特性。作为一种实施方式，所述样品盒设置在样品台上，所述样品台可在垂直和水平方向调节。作为一种实施方式，所述样品盒通过样品夹具固定在样品台上。作为一种实施方式，所述第一太赫兹源包括第一太赫兹倍频器，第一太赫兹倍频器与矢量网络分析仪相连；所述第二太赫兹源包括第二太赫兹倍频器，第二太赫兹倍频器也与矢量网络分析仪相连。作为一种实施方式，所述第一太赫兹倍频器和第二太赫兹倍频器分别设置在相应位移台上，所述位移台可在水平方向移动。作为一种实施方式，第一天线、第一透镜、样品盒、第二天线和第二透镜设置在同一条直线上。作为一种实施方式，所述第一透镜和第二透镜均由两个间隔预设距离的平凸透镜构成。本公开的第二个方面提供一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置的测试方法，其包括：调整第一天线、第一透镜、样品盒、第二天线和第二透镜设置在同一条直线上；预先设定第一太赫兹源和第二太赫兹源发射的信号频率；获取空气、空样品盒和设置有待测样品的样品盒三种状态下的S参数矩阵，计算出待测样品本身的S参数，进而再利用NRW算法，反演计算得到待测样品的介电特性。本公开的有益效果是：本公开的测试装置操作简单易用，测试精度较高，测试的频率可以根据系统自由设置，适用于太赫兹波低频段(0.075-0.5THz)；对样品的制作要求低，只需将粉末填充样品盒即可，粉末颗粒越精细越好；计算方法快捷，能够实现对某一频点或某一频段的测试，应用环境要求低。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1是本公开实施例提供的填充粉末材料的压力器示意图；图2是本公开实施例提供的基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置结构示意图；图3是基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置的测试方法流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
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公开的示例性实施方式。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。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。随着频率的提高，在太赫兹波段，测试设备尺寸减小，自由空间法的优势扩大。太赫兹自由空间计算方法有NRW算法、N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，包括：/n样品盒，所述样品盒用于盛放待测样品；所述样品盒两侧设置分别设置有第一天线和第二天线，所述样品盒与第一天线之间设置有第一透镜，所述样品盒与第二天线之间设置有第二透镜，所述第一天线与第一太赫兹源相连，所述第二天线与第二太赫兹源相连，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源用于产生相同频率的太赫兹信号并分别经第一天线和第二天线相对发射，所述第一天线和第二天线还用于接收相应传输及反射太赫兹信号并传送至计算机；所述计算机用于获取空气、空样品盒和设置有待测样品的样品盒三种状态下的S参数矩阵，计算出待测样品本身的S参数，进而再利用NRW算法，反演计算得到待测样品的介电特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，包括：
样品盒，所述样品盒用于盛放待测样品；所述样品盒两侧设置分别设置有第一天线和第二天线，所述样品盒与第一天线之间设置有第一透镜，所述样品盒与第二天线之间设置有第二透镜，所述第一天线与第一太赫兹源相连，所述第二天线与第二太赫兹源相连，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源用于产生相同频率的太赫兹信号并分别经第一天线和第二天线相对发射，所述第一天线和第二天线还用于接收相应传输及反射太赫兹信号并传送至计算机；所述计算机用于获取空气、空样品盒和设置有待测样品的样品盒三种状态下的S参数矩阵，计算出待测样品本身的S参数，进而再利用NRW算法，反演计算得到待测样品的介电特性。


2.如权利要求1所述的一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，所述样品盒设置在样品台上，所述样品台可在垂直和水平方向调节。


3.如权利要求2所述的一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，所述样品盒通过样品夹具固定在样品台上。


4.如权利要求1所述的一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，所述第一太赫兹源包括第一太赫兹倍频器，第一太赫兹倍频器与矢量网络分析仪相连；所述第二太赫兹源包括第二太赫兹倍频器，第二太赫兹倍频器也与矢量网络分析仪相连。


5.如权利要求4所述的一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，所述第一太赫兹倍频器和第二太赫兹倍频器分别设置在相应位移台上，所述位移台可在水平方向移动。


6.如权利要求1所述的一种基于太赫兹自由空间法的样品介电特性测试装置，其特征在于，第一天线、第一透镜、样品盒、第二天线和第二透镜设置在同一条直线上。


7.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张献生，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37