微波材料电磁参数的凹形腔检测装置及其自动检测方法，涉及一种材料电磁参数的检测。提供无损伤、精确、操作方便的一种微波材料电磁参数的凹形腔检测装置及其自动检测方法。所述微波材料电磁参数的凹形腔检测装置设有微波矢量网络分析仪、微波凹形腔传感器、输入同轴电缆、输出同轴电缆、GPIB数据采集卡和计算机。
1.微波材料电磁参数的凹形腔检测装置，其特征在于设有微波矢量网络分析仪、微波凹形腔传感器、输入同轴电缆、输出同轴电缆、GPIB数据采集卡和计算机；所述输入同轴电缆的输入端接微波矢量网络分析仪的微波信号输出端口，输入同轴电缆的输出端接微波凹形腔传感器的SMA输入端；输出同轴电缆的输入端接微波凹形腔传感器的SMA输出端，输出同轴电缆的输出端接微波矢量网络分析仪微波测试信号输入端口；GPIB数据采集卡输入端接微波矢量网络分析仪的数据输出端，GPIB数据采集卡输出端接计算机；
所述微波凹形腔传感器设有上螺旋测微头、上圆盘、螺杆、上内导体、上短路板、销钉、紧固夹、圆波导、SMA连接头、下短路板、下内导体、下圆盘、下螺杆、下螺旋测微头、固定底座及紧固件；所述上螺旋测微头和下螺旋测微头的中心丝杆分别锁住上内导体和下内导体，上圆盘和下圆盘的圆心孔分别锁在上螺旋测微头和下螺旋测微头的外壳上；上圆盘的边缘通过上螺杆锁定上短路板，下圆盘的边缘通过下螺杆锁定下短路板；上短路板与圆波导将上短路板与圆波导上方固定；下短路板与圆波导下方锁定；上内导体穿过上短路板中心进入圆波导中心；下内导体穿过下短路板中心进入圆波导中心；2个SMA连接头左右对称锁定于圆波导段中心处，并分别与输入同轴电缆和输出同轴电缆连接；整个微波凹形腔传感器的主体通过紧固件固定在固定底座上。
2.如权利要求1所述微波材料电磁参数的凹形腔检测装置，其特征在于所述上短路板与圆波导通过3个直径不同的销钉和3个U型紧固夹，将上短路板与圆波导上方固定。
3.如权利要求1所述微波材料电磁参数的凹形腔检测装置，其特征在于所述下短路板与圆波导下方采用螺丝锁定。
4.材料电磁参数的检测方法，其特征在于采用如权利要求1所述微波材料电磁参数的凹形腔检测装置，点频及扫频检测电介质和磁介质混合样品的介电常数时，具体步骤如下：
1)将混合材料用模具加工成直径小于内导体的圆柱状测试样品；
2)固定下内导体长度，将被测样品放置在下内导体的上端面中心位置；上内导体调下夹紧被测样品，并依次调高上内导体的长度，每调高一次上内导体的长度，相应记录一次矢量网络分析仪采集的数据，该数据为微波凹形腔传感器的中心频率和品质因素；
3)取出被测样品，重复步骤2)采集相应的空腔数据，通过采集矢量网络分析仪上测试样品放置前后的微波凹形腔传感器中心频率和品质因素的变化值，计算或仿真出点频及扫频测试样品的介电常数,并自动显示和保存介电常数的测试结果。
5.材料电磁参数的检测方法，其特征在于采用如权利要求1所述微波材料电磁参数的凹形腔检测装置，点频及扫频检测电介质和磁介质混合样品的磁导率时，具体步骤如下：
1)将混合材料用模具加工成圆环状测试样品，圆环状测试样品的内径以内导体的外径一致，圆环状测试样品的外径和高度根据混合材料的具体参数确定；
2)固定下内导体长度，并将圆柱状测试样品套置下内导体的最底部；并依次调高上内导体的长度，每调高一次上内导体的长度，相应记录一次矢量网络分析仪采集的数据，该数据为微波凹形腔传感器的中心频率和品质因素；
3)取出被测样品，重复步骤2)采集相应的空腔数据，通过采集矢量网络分析仪上测试样品放置前后的微波凹形腔传感器中心频率和品质因素的变化值，计算或仿真出点频及扫频测试样品的磁导率，并自动显示和保存磁导率的测试结果。
微波材料电磁参数的凹形腔检测装置及其自动检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种材料电磁参数的检测，尤其是涉及一种微波材料电磁参数的凹形腔检测装置及其自动检测方法。
背景技术
[0002] 近年来，在国防、信息技术、军事装备、航空航天以及民用电子产品对吸波、透波等材料的应用越来越广泛，相应的检测要求越来越高。急需研制无损伤和方便的检测装置，而目前采用的同轴腔传感器、矩形传感器和圆柱形传感器等，腔内任意空间电场和磁场同时存在，检测电介质和磁介质混合而成的吸波材料样品和透波材料样品等，将带来一定难度，而工作以TM010模式的微波凹形腔传感器，它具有其他腔体所不具备的独特及独立的电场区域和磁场区域，将样品放置电场集中区域测介电常数；将样品放置磁场最强区域测磁导率，较好地实现电介质和磁介质混合而成的吸波材料样品和透波材料样品等的检测。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有技术中缺乏有关电介质和磁介质混合样品自动检测装置，尤其缺乏一种微波材料（如吸波材料、透波材料）在点频、扫频状态下的电磁参数检测的凹形腔装置，提供无损伤、精确、操作方便的一种微波材料电磁参数的凹形腔检测装置及其自动检测方法。
[0004] 本发明所述微波材料电磁参数的凹形腔检测装置设有微波矢量网络分析仪、微波凹形腔传感器、输入同轴电缆、输出同轴电缆、GPIB数据采集卡和计算机；所述输入同轴电缆的输入端接微波矢量网络分析仪的微波信号输出端口，输入同轴电缆的输出端接微波凹形腔传感器的SMA输入端；输出同轴电缆的输入端接微波凹形腔传感器的SMA输出端，输出同轴电缆的输出端接微波矢量网络分析仪微波测试信号输入端口；GPIB数据采集卡输入端接微波矢量网络分析仪的数据输出端，GPIB数据采集卡输出端接计算机。
[0005] 所述微波凹形腔传感器设有上螺旋测微头、上圆盘、螺杆、上内导体、上短路板、销钉、紧固夹、圆波导、SMA连接头、下短路板、下内导体、下圆盘、下螺杆、下螺旋测微头、固定底座及紧固件；所述上螺旋测微头和下螺旋测微头的中心丝杆分别锁住上内导体和下内导体，上圆盘和下圆盘的圆心孔分别锁在上螺旋测微头和下螺旋测微头的外壳上；上圆盘的边缘通过上螺杆锁定上短路板，下圆盘的边缘通过下螺杆锁定下短路板；上短路板与圆波导将上短路板与圆波导上方固定；下短路板与圆波导下方锁定；上内导体穿过上短路板中心进入圆波导中心；下内导体穿过下短路板中心进入圆波导中心；2个SMA连接头左右对称锁定于圆波导段中心（L/2）处，并分别与输入同轴电缆和输出同轴电缆连接；整个微波凹形腔传感器的主体通过紧固件固定在固定底座上。
[0006] 所述上短路板与圆波导可通过3个直径不同的销钉和3个U型紧固夹，将上短路板与圆波导上方固定。所述下短路板与圆波导下方可采用螺丝锁定。
[0007] 所述材料电磁参数的检测方法，采用所述自动检测材料电磁参数的凹形腔装置，具体步骤如下：
[0008] 1）点频及扫频检测电介质和磁介质混合样品的介电常数时，首先将混合材料用模具加工成直径小于内导体的圆柱状测试样品；
[0009] 2）固定下内导体长度（大约旋置1/3腔高的位置），将被测样品放置在下内导体的上端面中心位置（电场集中区域）；上内导体调下夹紧被测样品，并依次调高上内导体的长度（改变频率），每调高一次上内导体的长度，相应记录一次矢量网络分析仪采集的数据，该数据为微波凹形腔传感器的中心频率和品质因素；
[0010] 3）取出被测样品，重复步骤2）采集相应的空腔数据，通过采集矢量网络分析仪上测试样品放置前后的微波凹形腔传感器中心频率和品质因素的变化值，计算或仿真出点频及扫频测试样品的介电常数,并自动显示和保存介电常数的测试结果；
[0011] 4）点频及扫频检测电介质和磁介质混合样品的磁导率时，将混合材料用模具加工成圆环状测试样品，圆环状测试样品的内径以内导体的外径一致，圆环状测试样品的外径和高度根据混合材料的具体参数确定（磁导率与样品的外径和高度反比），
[0012] 5）固定下内导体长度（大约旋置1/3腔高的位置），并将圆柱状测试样品套置下内导体的最底部（磁场最强区域）；并依次调高上内导体的长度（改变频率），每调高一次上内导体的长度，相应记录一次矢量网络分析仪采集的数据，该数据为微波凹形腔传感器的中心频率和品质因素；
[0013] 6）取出被测样品，重复步骤2）采集相应的空腔数据，通过采集矢量网络分析仪上测试样品放置前后的微波凹形腔传感器中心频率和品质因素的变化值，计算或仿真出点频及扫频测试样品的磁导率，并自动显示和保存磁导率的测试结果。
[0014] 本发明的微波凹形腔传感器整个可由紫铜制作，工作以TM010模式，它具有独特及独立的电场区域和磁场区域；圆波导上方开口处的波导壁阶梯形加宽，并通过3个直径不同的销钉和3个U型紧固夹，将上短路板与圆波导上方固定，有利于方便被测样品的放置；圆波导段中心（L/2）处留有左右对称的圆形耦合孔，以方便带耦合环的SMA连接头接入；
上短路板外径与圆波导上方外径相同，上短路板下方（扣入圆波导内）直径与圆波导内径相同，中心留有与内导体直径相同的圆孔，为防电磁泄漏，圆孔边缘向上沿伸，下短路板外径与圆波导下方外径相同，下短路板上方（扣入圆波导内）直径与圆波导内径相同，中心留有与内导体直径相同的圆孔，为防电磁泄漏，圆孔边缘向下沿伸，上内导体和下内导体直径相同，通过旋转上、下螺旋测微头，可以上下调节上内导体和下内导体的长度，SMA连接头带两个圆形耦合环：其中圆形耦合环的一端与SMA连接头的内导体连接，另一端与SMA连接头的外导体连接，圆形耦合环面与磁力线垂直方向。固定底座为L型，整个微波凹形腔传感器的主体通过紧固件固定在固定底座，方便上、下螺旋测微头调节。
[0015] 目前采用的同轴腔传感器、矩形传感器和圆柱形传感器等，腔内任意空间电场和磁场同时存在，检测电介质和磁介质混合而成的吸波材料样品和透波材料样品等，将带来一定难度。而工作以TM010模式的微波凹形腔传感器，它具有其他腔体所不具备的独特及独立的电场区域和磁场区域，将样品放置电场集中区域测介电常数；将样品放置磁场最强区域测磁导率，较好地实现混合而成的吸波材料样品和透波材料样品等的检测。
[0016] 微波凹形腔传感器的谐振频率由圆波导内径和长度、上内导体的外径和长度、下内导体的外径和长度决定，谐振频率范围由上、下内导体的可调长度决定，整个检测过程可通过调节测微头，改变上、下内导体的长度获取所需的谐振频率，进行点频及扫频的检测，并通过采集放置测试样品前后的凹形腔谐振频率和品质因素的变化值，计算或仿真测试样品的介电常数，计算公式如下：
[0017]
[0018] 整个检测过程可利用编制的自动测试软件，实现对矢量网络分析仪控制、数据采集、计算处理、结果显示和保存。
[0019] 由此可见，本发明提供了一种无损伤、精确、操作方便的微波凹形腔传感器、材料电磁参数检测装置和自动检测方法。适用于科研院所及工厂企业。
附图说明
[0020] 图1为本发明所述自动检测材料电磁参数的凹形腔装置的结构组成示意图。
[0021] 图2为微波微波凹形腔传感器结构装配示意图。
[0022] 图3为微波微波凹形腔传感器结构分解图。
[0023] 图4为微波微波凹形腔传感器结构立体示意图。
[0024] 图5为微波微波凹形腔传感器结构主视示意图。
[0025] 图6为微波微波凹形腔传感器结构左视示意图。
[0026] 图7为微波微波凹形腔传感器结构俯视示意图。
[0027] 图8为微波微波凹形腔传感器工作以TM010模式的电场分布图。
[0028] 图9为微波微波凹形腔传感器工作以TM010模式的磁场分布图。
[0029] 图10为被测材料介电常数e’随频率的变化。
[0030] 图11为被测材料磁导率u’随频率的变化。
具体实施方式
[0031] 以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0032] 参见图1，本发明所述微波材料电磁参数自动检测装置实施例设有微波矢量网络分析仪101、微波微波凹形腔传感器102、输入同轴电缆105、输出同轴电缆106、GPIB数据采集卡103和计算机104。输入同轴电缆105的输入端接微波矢量网络分析仪101的微波信号输出端口，输入同轴电缆105的输出端接微波微波凹形腔传感器101的SMA输入端；输出同轴电缆105的输入端接微波微波凹形腔传感器102的SMA输出端，输出同轴电缆106的输出端接微波矢量网络分析仪101微波测试信号输入端口；GPIB数据采集卡103输入端接微波矢量网络分析仪101的数据输出端，GPIB数据采集卡103输出端接计算机104。
[0033] 参见图2～7，微波凹形腔传感器设有上螺旋测微头1、上圆盘2、上螺杆3、上内导体4、上短路板5、销钉6、紧固夹7、圆波导8、SMA连接头9、下短路板10、下内导体11、下螺杆12、下圆盘13、下螺旋测微头14、紧固件15及固定底座16；上螺旋测微头1和下螺旋测微头14的中心丝杆分别锁住上内导体4和下内导体11，上圆盘和下圆盘的圆心孔分别锁在上螺旋测微头和下螺旋测微头的外壳上。上圆盘2的边缘通过上螺杆3锁定上短路板5，下圆盘13的边缘通过下螺杆12锁定下短路板10。上短路板5与圆波导8通过3个直径不同的销钉6和3个U型紧固夹7，将上短路板5与圆波导8上方固定；采用螺丝将下短路板10与圆波导8下方锁定；上内导体4穿过上短路板5中心进入圆波导8中心；下内导体11穿过下短路板10中心进入圆波导8中心；2个SMA连接头9左右对称锁定于圆波导8段中心（L/2）处，并分别与输入同轴电缆105和输出同轴电缆106连接。整个微波凹形腔传感器的主体通过紧固件15固定在固定底座16。
[0034] 图8给出微波微波凹形腔传感器工作以TM010模式的电场分布图；图9给出微波微波凹形腔传感器工作以TM010模式的磁场分布图；图10给出被测材料介电常数e’随频率的变化曲线；图11给出被测材料磁导率u’随频率的变化曲线。
