一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置及方法，属于微波测量领域；所述装置为在一个覆铜板上制作一条两端短路的微带线和一条两端短路的平行双线，分别构成两个谐振腔，并通过微带线耦合馈电；再由矢量网络分析仪进行测量。由于微带线和平行双线的参数不同，因此损耗不同，品质因数也不同，通过两者品质因数之间的关系求得微带线导带所用金属的电导率，以及覆铜板材料的相对介电常数和损耗正切，所述品质因数通过矢量网络分析仪测得的散射参数求出。本发明专利技术可以计算出导带所用金属的电导率，由此减小了由于电导率不确定而导致的误差，从而测量计算出材料的介电常数，适应性强，极大的简便了对材料介电常数的测量步骤，易于工程上的实现。

A device and method for measuring dielectric constant and metal conductivity of CCl

【技术实现步骤摘要】
一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置及方法
本专利技术属于微波测量领域，具体涉及一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置及方法。
技术介绍
介质材料的介电常数是描述介质材料电特性的物理量，是分析研究电磁波与介质材料相互作用及场量变化的基础参数，具有重要的物理意义。在工程中，一般用相对介电常数和损耗正切两个参数来表征材料的介电常数。在生产和使用介质材料时，准确获取其介电常数是进行微波电路设计的前提之一。目前介质基片介电常数测量方法主要有集总电路法、谐振腔法、传输线法与自由空间法等，其中谐振腔法是最常用和精确的一种。传统的传输线谐振介电常数测量方法有些只对表征介电常数的一个参数相对介电常数进行了测量，而没有对表征介电常数的另一个参数损耗正切进行测量，如在文献([1]郭富祥,赖展军,薛锋章.基于微带谐振法的介电常数无损伤测量[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2017,29(03):346-351.)中；或者有些虽然对损耗正切进行了测量但是它是在已知金属电导率的情况下进行测量的，忽视了金属电导率不确定造成的影响，如在文献([1]许增超.带状线谐振器法复介电常数的变温测试[D].电子科技大学,2008.)中。例如在很多微波应用中，金属电导率不确定或者由于化学反应以及金属表面粗糙度和不均匀等导致电导率的变化，这些都会导致对涉及到此金属的微波应用产生不容忽视的影响，所以传统提取介质板介电常数的方法已经难以满足需求。在微波领域中，金属电导率是一个很重要的参数，所以需要一种对它进行测量的方法。因此，需要一个新的技术方案来解决上述的问题。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置及方法，是基于微带线半波长谐振腔的测量方法，测量装置在同一覆铜板上设置微带线和平行双线，两端短路分别构成两个谐振腔，谐振腔通过馈电微带线进行耦合馈电，利用矢量网络分析仪进行测量。此装置和方法不仅可以对介电常数进行测量与计算，而且可以测出金属的电导率。这样也可以减小由于电导率不确定而导致的误差，从而测量计算出材料的介电常数。本专利技术的技术方案是：一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置，其特征在于：包括覆铜板、两端短路的微带线、两端短路的平行双线、馈电微带线的导带和馈电微带线的地平面；所述微带线包括设置于所述覆铜板一侧面的微带线谐振腔的导带和另一侧面的微带线谐振腔的地平面，在所述微带线谐振腔的导带和微带线谐振腔的地平面的两端之间均开多个接地孔进行短路，从而形成微带线谐振腔；所述微带线谐振腔通过设置于所述微带线谐振腔的导带两侧的第一馈电微带线的导带，和微带线谐振腔的地平面构成的第一馈电微带线电耦合进行馈电；所述平行双线包括设置于所述覆铜板一侧面的平行双线一侧导带和另一侧面的平行双线另一侧导带，在所述平行双线一侧导带和平行双线另一侧导带的两端之间均开多个短路孔进行短路，从而形成平行双线谐振腔；所述平行双线谐振腔通过设置于所述平行双线一侧导带两侧的第二馈电微带线的导带，和馈电微带线的地平面构成的第二馈电微带线电耦合进行馈电，所述馈电微带线的地平面设置于所述覆铜板的另一侧面，与所述第二馈电微带线的导带对应设置；所述平行双线谐振腔导带的宽度是所述微带线谐振腔导带宽度的一半。一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置的测量方法：其特征在于具体步骤如下：步骤一：采用矢量网络分析仪分别测量得到微带线谐振腔和平行双线谐振腔的正向传输系数S21曲线图；步骤二：从步骤一中的正向传输系数S21曲线图中选取多个谐振点的谐振频率；步骤三：取步骤二多个谐振点中相邻的两个谐振点的谐振频率f01和f02，由这两个谐振点谐振频率得到有效介电常数εe，表达式：其中，c是自由空间中的电磁波传播速度，l是微带线谐振腔的导带的长度；进一步，求得覆铜板的相对介电常数εr表达式为：当微带线为宽带(W/h≥1)时：当微带线为窄带(W/h≤1)时：其中，W是微带线谐振腔导带宽度，h是覆铜板厚度；步骤四：在S21曲线中分别选定一个微带线谐振频率为f1的谐振点和平行双线谐振频率为f2的谐振点，并通过S21曲线分别对微带线谐振腔总损耗的品质因数和平行双线谐振腔总损耗的品质因数进行计算；则微带线谐振腔总的损耗品质因数为：其中，Q01为微带线谐振腔总的损耗品质因数，f1为此谐振点的谐振频率，f11，f12分别为此谐振点谐振频率的3dB频率；同理，平行双线谐振腔总的损耗品质因数为：其中，Q02为平行双线谐振腔总的损耗品质因数，f2为此谐振点的谐振频率，f21，f22分别为此谐振点谐振频率的的3dB频率；步骤五：通过步骤四求得微带线谐振腔和平行双线谐振腔总的损耗品质因数，能够计算出制作微带线和平行双线所用金属导体的电导率：其中，λg2为平行双线谐振腔的谐振波长，f2为平行双线谐振腔的谐振频率，λg1为微带线谐振腔的谐振波长，f1为微带线谐振腔的谐振频率；μ0是磁导率，αc1表示微带线导体损耗衰减常数，αc2表示平行双线的导体损耗衰减常数，Rs是表面电阻，步骤六：微带线谐振腔和平行双线谐振腔的损耗均包括导体损耗和介质损耗，关系式为其中，Qd为介质损耗品质因数，，Qc为导体损耗品质因数，Q0是广义的谐振腔总损耗品质因数；选微带线谐振腔计算时，Qd＝Qd1，介质损耗品质因数的公式为：或者选平行双线谐振腔计算时，Qd＝Qd2，介质损耗品质因数公式为：选择微带线谐振腔或者平行双线谐振腔计算覆铜板介质材料的损耗正切，公式如下：步骤七：根据步骤三得到的相对介电常数εr和步骤六得到的损耗正切tanδe，通过以下公式求出介电常数ε：ε＝ε0εr(1-jtanδe)(8)；其中，ε0是真空中的介电常数。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤二中选取的谐振点为曲线的极大值点。有益效果本专利技术的有益效果在于：本专利技术相比现有技术测量出的材料特性参数多，传统的测量方法一般只可以测出材料的介电常数，而本专利技术方法不仅可以测量出材料的介电常数的实部和虚部，即可以测量出介质的相对介电常数和损耗正切，而且可以测量出金属的电导率。目前还没有介电常数和电导率可以同时测量的方法或装置，同时步骤五中所测量计算出的电导率，解决了金属电导率未知或者由于化学反应以及金属表面粗糙度和不均匀等，导致电导率的变化而引起的不确定问题，可以测量出金属的电导率，也给步骤六中计算导体损耗品质因数的过程中提供了金属电导率的数值，能够计算出表征材料介电常数的损耗正切，进而计算出精确的介电常数。本专利技术中为了尽量不破坏谐振腔结构获得较高品质因数，谐振腔通常工作在欠耦合状态。本专利技术在馈电结构对谐振腔品质因数的影响可忽略不计时，仅需要在同一覆铜板上分别制作两种上述的谐振腔，即可测量计算出覆铜板的相对介电常数和介质损耗正切，以及制作此微带线所用金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置，其特征在于：包括覆铜板、两端短路的微带线、两端短路的平行双线、馈电微带线的导带和馈电微带线的地平面；/n所述微带线包括设置于所述覆铜板一侧面的微带线谐振腔的导带和另一侧面的微带线谐振腔的地平面，在所述微带线谐振腔的导带和微带线谐振腔的地平面的两端之间均开多个接地孔进行短路，从而形成微带线谐振腔；所述微带线谐振腔通过设置于所述微带线谐振腔的导带两侧的第一馈电微带线的导带，和微带线谐振腔的地平面构成的第一馈电微带线电耦合进行馈电；/n所述平行双线包括设置于所述覆铜板一侧面的平行双线一侧导带和另一侧面的平行双线另一侧导带，在所述平行双线一侧导带和平行双线另一侧导带的两端之间均开多个短路孔进行短路，从而形成平行双线谐振腔；所述平行双线谐振腔通过设置于所述平行双线一侧导带两侧的第二馈电微带线的导带，和馈电微带线的地平面构成的第二馈电微带线电耦合进行馈电，所述馈电微带线的地平面设置于所述覆铜板的另一侧面，与所述第二馈电微带线的导带对应设置；/n所述平行双线谐振腔导带的宽度是所述微带线谐振腔导带宽度的一半。/n

【技术特征摘要】
1.一种覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置，其特征在于：包括覆铜板、两端短路的微带线、两端短路的平行双线、馈电微带线的导带和馈电微带线的地平面；
所述微带线包括设置于所述覆铜板一侧面的微带线谐振腔的导带和另一侧面的微带线谐振腔的地平面，在所述微带线谐振腔的导带和微带线谐振腔的地平面的两端之间均开多个接地孔进行短路，从而形成微带线谐振腔；所述微带线谐振腔通过设置于所述微带线谐振腔的导带两侧的第一馈电微带线的导带，和微带线谐振腔的地平面构成的第一馈电微带线电耦合进行馈电；
所述平行双线包括设置于所述覆铜板一侧面的平行双线一侧导带和另一侧面的平行双线另一侧导带，在所述平行双线一侧导带和平行双线另一侧导带的两端之间均开多个短路孔进行短路，从而形成平行双线谐振腔；所述平行双线谐振腔通过设置于所述平行双线一侧导带两侧的第二馈电微带线的导带，和馈电微带线的地平面构成的第二馈电微带线电耦合进行馈电，所述馈电微带线的地平面设置于所述覆铜板的另一侧面，与所述第二馈电微带线的导带对应设置；
所述平行双线谐振腔导带的宽度是所述微带线谐振腔导带宽度的一半。


2.一种权利要求1所述覆铜板介电常数和金属电导率的测量装置的测量方法：其特征在于具体步骤如下：
步骤一：采用矢量网络分析仪分别测量得到微带线谐振腔和平行双线谐振腔的正向传输系数S21曲线图；
步骤二：从步骤一中的正向传输系数S21曲线图中选取多个谐振点的谐振频率；
步骤三：取步骤二多个谐振点中相邻的两个谐振点的谐振频率f01和f02，由这两个谐振点谐振频率得到有效介电常数εe，表达式：



其中，c是自由空间中的电磁波传播速度，l是微带线谐振腔的导带的长度；
进一步，求得覆铜板的相对介电常数εr表达式为：
当微带线为宽带(W/h≥1)时：



当微带线为窄带(W/h≤1)时：



其中，W是微带线谐振腔导带宽度，h是覆铜板厚度；
步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昌英，路少鹏，高峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61