一种高温流体材料介电性能远距离测试装置及其测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，属于介电性能测试领域。该装置通过在谐振腔上加载点聚焦天线，将待测材料放置于点聚焦天线的焦点处，将介质材料对天线辐射的影响转化为谐振腔谐振参数的变化，从而实现待测材料的介电性能测量，整个测试过程中，无需与待测材料接触即可实现介电性能测试，具有测试灵敏度高、作用距离远等特点，且测试装置简单易安装，适合现场原位检测。除此之外，本发明专利技术装置在待测材料位置固定的情况下，可将测试装置放置于移动平台上，通过移动测试装置，可以实现流体材料这种具有分布不均匀特殊材料的不同位置的等效介电性能测试。

【技术实现步骤摘要】
一种高温流体材料介电性能远距离测试装置及其测试方法
本专利技术属于介电性能测试领域，涉及一种介电性能远距离测试装置，具体涉及一种高温流体材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置及其测试方法。
技术介绍
随着现代航天、火箭和导弹技术的快速发展，飞行器飞行速度已达到高超声速级别。当飞行器以如此高速度飞行时，其表面与周围气体的相互作用会产生高温流场。因此，准确获取此类流场的电子数密度及介电性能等关键参数，对解决飞行器通信及瞄准问题有着至关重要的意义。目前，针对高温高压等极端环境下的流体材料(如喷气发动机尾焰、高温等离子体、高温气体等)，传统的介电性能测试方法表现出了很大的局限性。例如，专利号为CN93214615.5的“等离子体探针诊断试验仪”专利中提供的探针测试法需要将探针伸入材料内部进行接触测试，不仅会对待测流体材料产生扰动，同时探针也难以承受极高温；专利号为CN201711279106.X的“一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法”专利中提供的基于天线传输/反射法虽然可以实现远距离非接触测试，但测试精度不高；专利号为CN201310247383.8的“一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法”专利中提供的准光腔法能够实现非接触式高精度测试，但待测材料需穿过腔体，且准光腔反射镜与待测材料需保持足够安全距离，限制了待测材料尺寸，无法针对大面积高温流体材料进行测试。除此之外，等离子体本身是由产生处到外围的不均匀分布状态，使得不同位置的等离子体的介电性能参数会有不同，并且在特定情况下，需要进行局部位置测试得到其介电性能。
技术实现思路
针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种高温流体材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置。该装置通过在谐振腔上加载点聚焦天线，将待测材料放置于点聚焦天线的焦点处，将介质材料对天线辐射的影响转化为谐振腔谐振参数的变化，从而实现待测材料的介电性能测量。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，包括谐振腔、点聚焦天线、矩圆过渡器、微波电缆和矢量网络分析仪；所述谐振腔包括一个强耦合端口和两个弱耦合端口，所述强耦合端口通过矩圆过渡器连接点聚焦天线，所述弱耦合端口通过微波电缆连接矢量网络分析仪；所述两个弱耦合端口对称设置于谐振腔内壁底面半径方向磁场最强处，所述强耦合端口设置于谐振腔侧壁中心处。进一步地，所述谐振腔的工作模式为TE011谐振模式。进一步地，所述谐振腔内壁半径a和高度l根据谐振腔工作模式进行设计。进一步地，所述谐振腔为高Q型圆柱谐振腔，弱耦合端口通过环耦合实现，强耦合端口通过孔耦合或缝耦合实现。进一步地，所述点聚焦天线包括圆锥喇叭和介质透镜，所述介质透镜设置于圆锥喇叭口径处；所述圆锥喇叭馈电端口为矩形波导，与谐振腔的强耦合端口连接，矩形波导通过矩圆过渡器过渡到圆锥喇叭；所述介质透镜为双凸透镜，辐射方向一侧的焦距根据测试距离进行设计。基于上述高温流体材料介电性能远距离测试装置测试材料介电性能的方法，具体为：将待测材料放置于点聚焦天线焦点处后，通过矢量网络分析仪对谐振腔的谐振频率和品质因数两个谐振参数变化量进行测量，进而反演待测材料的介电性能。进一步地，反演待测材料的介电性能的具体过程包括以下步骤：步骤1.连接装置，谐振腔输入阻抗Zin为如下公式：其中，为高Q型谐振腔的空腔谐振频率，为高Q型谐振腔的品质因数Q值，H为高Q型谐振腔内的磁场强度，Rs为高Q型谐振腔内壁的表面电阻，s0为高Q型谐振腔的侧面面积，L、R、C为高Q型谐振腔等效集总电感、电阻、电容，w为测试频率，Io为等效电流；步骤2.采用金属盖板封住天线加载谐振系统的强耦合端口，使之成为单个高Q型谐振腔，通过矢量网络分析仪测量高Q型谐振腔的TE011模式下的谐振频率wa和Qa，联立计算公式(1)和公式(2)，得出高Q型谐振腔的集总电路参数L、R、C；步骤3.测试天线加载谐振系统未加载待测材料时的谐振频率w0和品质因数Q0；步骤4.等效强耦合端为电导ΔG和电容ΔC的并联，点聚焦天线焦点处加载待测材料后，其介电性能影响电导ΔG和电容ΔC的数值大小，进而影响谐振系统的谐振频率和Q值；等效电导ΔG和等效电容ΔC可以写成待测材料介电常数ε′和损耗角正切值tanδ的关系式：ΔC＝ε′ε0h(ε′)(3)ΔG＝wε′ε0h(ε′)tanδ(4)公式(3)、(4)适用的待测材料应使得电磁波损耗完全，而不透过材料进行辐射；半无限厚度样品有效，实际情况对于测试体积比较大的尾焰、等离子体和高温气体，由于待测材料损耗比较大，因此上述公式也能适用；上述公式中，h(ε′)是关于ε′的关系式，该关系式可以通过谐振腔测试标准介电样品的谐振频率和Q值而确定，ε0为真空介电常数；测试天线加载谐振系统加载待测材料后的谐振频率w1和品质因数Q1，将步骤3测试结果w0、Q0和w1、Q1代入下列公式：联立方程(5)、(6)，即可求得待测材料的介电常数ε′和损耗角正切值tanδ。进一步地，所述待测材料可以为高温流体材料、有限厚平板或半无限厚平板，所述待测材料的厚度应使电磁波不能穿透。进一步地，所述有限厚平板或半无限厚平板的表面垂直于点聚焦天线的轴线，平板横向尺寸大于点聚焦天线焦点处焦斑3倍直径尺寸。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术天线加载谐振装置通过将待测材料放置于天线焦点位置，无需与待测材料接触即可实现介电性能测试，因此适用于等离子体、发动机尾焰和高温气体等特殊流体材料的测试；本专利技术装置具有测试灵敏度高、作用距离远等特点，且测试装置简单易安装，适合现场原位检测。2.本专利技术测试装置在待测材料位置固定的情况下，可将测试装置放置于移动平台上，通过移动测试装置，可以实现流体材料这种具有分布不均匀特殊材料的不同位置的等效介电性能测试。附图说明图1为本专利技术材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置示意图。图2为本专利技术谐振腔内TE011模式电磁场分布图，其中，实线为电场线，虚线为磁场线。图3为本专利技术点聚焦天线的近场辐射图。图4为本专利技术材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振装置对不同待测材料的谐振曲线响应。图5为本专利技术材料介电性能远距离原位测试用天线加载谐振系统测试等效电路图。图中，1是谐振腔，2是点聚焦天线，3是矢量网络分析仪，4、5是微波电缆，6是待测材料，11是强耦合端口，12、13是弱耦合端口，21是喇叭天线，22是介质透镜，23是矩圆过渡器。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，其示意图如图1所示，包括谐振腔1、点聚焦天线2和矢量网络分析仪3；所述谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述测试装置包括谐振腔、点聚焦天线、矩圆过渡器、微波电缆和矢量网络分析仪；所述谐振腔包括一个强耦合端口和两个弱耦合端口，所述强耦合端口通过矩圆过渡器连接点聚焦天线，所述弱耦合端口通过微波电缆连接矢量网络分析仪；所述两个弱耦合端口对称设置于谐振腔内壁底面半径方向磁场最强处，所述强耦合端口设置于谐振腔侧壁中心处。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述测试装置包括谐振腔、点聚焦天线、矩圆过渡器、微波电缆和矢量网络分析仪；所述谐振腔包括一个强耦合端口和两个弱耦合端口，所述强耦合端口通过矩圆过渡器连接点聚焦天线，所述弱耦合端口通过微波电缆连接矢量网络分析仪；所述两个弱耦合端口对称设置于谐振腔内壁底面半径方向磁场最强处，所述强耦合端口设置于谐振腔侧壁中心处。


2.如权利要求1所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述谐振腔的工作模式为TE011谐振模式。


3.如权利要求2所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述谐振腔内壁半径a和高度l根据谐振腔工作模式进行设计。


4.如权利要求1所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述谐振腔为高Q型圆柱谐振腔，弱耦合端口通过环耦合实现，强耦合端口通过孔耦合或缝耦合实现。


5.如权利要求1所述高温流体材料介电性能远距离测试装置，其特征在于，所述点聚焦天线包括圆锥喇叭和介质透镜，所述介质透镜设置于圆锥喇叭口径处；所述圆锥喇叭馈电端口为矩形波导，与谐振腔的强耦合端口连接，矩形波导通过矩圆过渡器过渡到圆锥喇叭；所述介质透镜为双凸透镜，辐射方向一侧的焦距根据测试距离进行设计。


6.基于如权利要求1～5任一权利要求所述高温流体材料介电性能远距离测试装置测试材料介电性能的方法，其特征在于，将待测材料放置于点聚焦天线焦点处后，通过矢量网络分析仪对谐振腔的谐振频率和品质因数两个谐振参数变化量进行测量，进而反演待测材料的介电性能。


7.如权利要求6所述测试材料介电性能的方法，其特征在于，反演待测材料的介电性能的具体过程包括以下步骤：
步骤1.连接装置，谐振腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂一航，张云鹏，肖怡雯，龙嘉威，李吉，高冲，李恩，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51