电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统

摘要

电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，电介质材料介电性能测试技术领域。系统包括材料加热系统、毫米波宽带喇叭天线、信号能量传输接收系统、矢量网络分析仪、水冷系统、抽真空系统六个部分。毫米波宽带喇叭天线固定于材料加热系统正上方，矢量网络分析仪通过电缆与信号能量传输接收系统连接。测试信号通过转换接头、隔离器、耦合器到达天线，经被测样品反射后经天线，耦合器耦合入矢网。本发明利用隔离器和耦合器简化了校准过程、缩短校准及测试时间；整个系统可通过移动平台完成相同温度下加热装置空载与非空载两种情况下的测试，极大提高了测试效率。

权利要求

1.电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，包括材料加热系统(1)、毫米波宽带圆锥喇叭天线(2)、信号能量传输接收系统(3)、矢量网络分析仪(4)、水冷系统(5)和抽真空系统(6)；

材料加热系统(1)采用移动真空平台结构，包括两个石英透镜(111和112)、真空罩(13)、电磁感应加热装置(14)以及移动平台(15)；两个相同的石英透镜(111和112)对称地镶置于真空罩(13)顶部宽边中线上，即石英透镜111和112的几何中心位于真空罩13顶部宽边中线上，且关于真空罩13顶部宽边中线的中点对称；电磁感应加热装置(14)固定于移动平台(15)上面，对置于电磁感应加热装置(14)上面的被测样品进行加热；真空罩(13)将电磁感应加热装置(14)罩在内部；移动平台能够沿真空罩(13)顶部宽边中线方向做水平移动；

毫米波宽带圆锥喇叭天线(2)采用点聚焦透镜圆锥喇叭结构，由顺序连接的矩圆过渡结构(21)、天线喇叭(22)及喇叭透镜(23)组成；所述喇叭透镜(23)由两个单面透镜(231和232)组成双透镜，整个透镜内部空间由聚四氟乙烯填充；

信号能量传输接收系统(3)包括两段同轴电缆(31和33)，两个同轴-矩形转接头(32和34)，一个隔离器(35)和一个耦合器(36)；矢量网络分析仪测试信号输出端顺序经过第一同轴电缆(33)、第一同轴-矩形转接头(34)、隔离器(35)与耦合器(36)的直通端相连，耦合器(36)的直通端口与毫米波宽带喇叭天线(2)的矩圆过渡结构(21)相连；耦合器(36)的耦合端通过第二同轴-矩形转接头(32)、第二同轴电缆(33)与矢量网络分析仪测试信号输入端相连；

毫米波宽带圆锥喇叭天线(2)位于材料加热系统(1)的正上方，以保证测试信号能够通过毫米波宽带圆锥喇叭天线(2)、石英透镜(111或112)进入真空罩(13)内部空间；

水冷系统(5)与材料加热系统(1)中的电磁感应加热装置(14)相连，以实现对电磁感应加热装置(14)的冷却功能；抽真空系统(6)与材料加热系统(1)相连接，以实现对材料加热系统(1)的真空罩(13)内部空间抽取真空的功能。

2.根据权利要求1所述的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，其特征在于，所述材料加热系统(1)还包括一个金属网状隔离板(12)，所述金属网状隔离板(12)固定于真空罩(13)顶部，且垂直于真空罩(13)顶部宽边中线，将真空罩(13)内部空间隔成两个相对独立的空间。

3.根据权利要求1所述的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，其特 征在于，所述真空罩(13)侧面开有真空测量孔，以便于抽真空系统(6)对真空罩(13)内部空间抽取真空时对真空度的测量；同时真空罩13侧面开有充气孔，可通过充气孔冲入惰性气体，以防止被测样品的高温氧化。

4.根据权利要求1所述的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，其特征在于，所述真空罩(13)侧面开有观察孔，以便于对被测样品进行测试时对被测样品进行观察。

说明书

电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统

技术领域

[0001] 本发明属于电介质材料介电性能测试技术领域，具体涉及微波、毫米波材料介电性能测试技术，尤其涉及一种电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统。

背景技术

[0002] 随着航空、航天以及相关军事领域技术的迅猛发展，各式各样飞行器的速度越来越快，对高温材料的研制要求也越来越高。当材料的工作环境温度发生变化，其介电性能也会发生相应的变化。因此，实现材料的变温测试，掌握电介质材料在不同工作温度下的介电性能信息，对适用于高温变温环境下材料的设计及研制具有极其重大的意义。

[0003] 针对介质材料在微波、毫米波段的介电性能测试，网络参数法以其可以实现连续扫频测试，理论上可以得到测试频率范围内每个频点的数据，可实现高损耗材料的复介电常数测试等良好特点而被广泛运用。纵观国内外运用网络参数法对介质材料进行变温测试的文献相对较少，因此变温环境下介电材料的介电性能测量，不仅需要对被测材料环境进行改进，而且为保证测试工件在整个系统中能正常高效进行，进一步完善测试方法提高测试效果。

[0004] 传统终端短路法测试系统采用单端口反射SOL（short-open-load）进行校准，即短路校准、开路校准以及匹配负载校准，而在校准过程中所使用的校准件并非理想校准件，所以在校准过程中必然存在一定的误差。以下项为校准时可能产生的误差：

[0005] （1）短路校准时所使用的短路平板，由于校准件在加工过程中的误差、变温短路校准时受热形变以及校准件长期放置在空气中导致其氧化，这些原因都会使短路校准件在校准时不能完全的反射来波信号；

[0006] （2）在开路校准时，需要将平板加热平台15向下移动λ/8，然后运用适量网络分析仪4进行开路校准，在实际的操作过程中很难保证平板加热平台15准确地向下移动λ/8，从而不能保证在校准过程中反射系数的相位为0，反射系数则会有一个附加的相位角，便使得开路校准不准确，会产生一定的误差；

[0007] （3）在进行匹配负载校准时，所采用的校准件一般采用的是尖锥形吸波材料，该吸波材料只能吸收一部分能量，不能保证很好的匹配，从而使匹配的校准也存在一定的误差。

[0008] 这三个方面所造成的误差都会影响待测介质材料的测试精度，造成测试结果与真实值之间有一定的误差。此外，校准的过程也比较复杂，如果操作不当，误差将会变的很大，这就需要专业测试人员来进行终端短路法测试系统的校准和使用。因此，如果能省去上述三个校准过程，则其产生的误差将会大大减少，整个系统测试精度也会得到很大提高。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种用于电介质材料介电性能变温测试的自由空间终端短路测试系统，以实现电介质材料介电性能的变温测试，以解决传统电介质材料介电性能终端短路法测试系统所存在的校准繁琐、难度大、测试效率低和误差较大的技术问题。

[0010] 本发明的技术方案如下：

[0011] 电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，如图1所示，包括材料加热系统1、毫米波宽带圆锥喇叭天线2、信号能量传输接收系统3、矢量网络分析仪4、水冷系统5、抽真空系统6。

[0012] 材料加热系统1采用移动真空平台结构，该系统包括两个石英透镜111和112、真空罩13、电磁感应加热装置14以及移动平台15。两个相同的石英透镜111和112对称地镶置于真空罩13顶部宽边中线上（即石英透镜111和112的几何中心位于真空罩13顶部宽边中线上，且关于真空罩13顶部宽边中线的中点对称）；电磁感应加热装置14固定于移动平台15上面，对置于电磁感应加热装置14上面的被测样品进行加热；真空罩13将电磁感应加热装置14罩在内部；移动平台能够沿真空罩13顶部宽边中线方向做水平移动。

[0013] 毫米波宽带喇叭天线2采用点聚焦透镜圆锥喇叭结构，如图3所示。该天线由顺序连接的矩圆过渡结构21、天线喇叭22及喇叭透镜23组成。所述喇叭透镜23由两个单面透镜231和232组成双透镜，整个透镜内部空间由聚四氟乙烯填充。

[0014] 信号能量传输接收系统3包括两段同轴电缆31和33，两个同轴-矩形转接头32和34，一个隔离器35和一个耦合器36；矢量网络分析仪测试信号输出端顺序经过第一同轴电缆33、第一同轴-矩形转接头34、隔离器35与耦合器36的直通端相连，耦合器36的直通端口与毫米波宽带喇叭天线2的矩圆过渡结构21相连；耦合器36的耦合端通过第二同轴-矩形转接头32、第二同轴电缆33与矢量网络分析仪测试信号输入端相连。

[0015] 毫米波宽带喇叭天线2位于材料加热系统1的正上方，以保证测试信号能够通过毫米波宽带喇叭天线2、石英透镜111或112进入真空罩13内部空间。

[0016] 水冷系统5与材料加热系统1中的电磁感应加热装置14相连，以实现对电磁感应加热装置14的冷却功能；抽真空系统6与材料加热系统1相连接，以实现对材料加热系统1的真空罩13内部空间抽取真空的功能。

[0017] 进一步地，所述材料加热系统1还包括一个金属网状隔离板12，所述金属网状隔离板12固定于真空罩13顶部，且垂直于真空罩13顶部宽边中线，将真空罩13内部空间隔成两个相对独立的空间。

[0018] 进一步地，所述真空罩13侧面开有真空测量孔，以便于抽真空系统6对真空罩13内部空间抽取真空时对真空度的测量；同时真空罩13侧面开有充气孔，可通过充气空冲入惰性气体，以防止被测样品的高温氧化。

[0019] 进一步地，所述真空罩13侧面开有观察孔，以便于对被测样品进行测试时对被测样品进行观察。

[0020] 本发明提供的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，其工作过程可以描述为：先利用抽真空系统6对真空罩13内部抽取真空，再充入保护氮气，接着打开加热装置14，同时开启水冷系统5，进行水冷。当达到要求温度时，即停止加热。矢量网络分析仪4通过第一同轴电缆33、同轴-矩形转接头34、隔离器35与耦合器36的直通端向毫米波宽带喇叭天线2输入测试频率信号，测试频率信号经毫米波宽带喇叭天线2和石英透镜112照射被测样品并被反射，反射信号经毫米波宽带喇叭天线2接收后通过耦合器36的耦合端口、第二同轴-矩形转接头32、第二同轴电缆21输入矢量网络分析仪4。利用矢量网络分析仪4及相关的软件对材料进行测试分析，记录下测试结果，然后移动真个加热平台，将石英透镜111放置于天线透镜23正下方，再对没有测试材料的情况进行测试，通过矢量网络分析仪4分析该情况下的测试结果。多次测试以后，对加热平台空载及非空载两种测试情况进行分析。

[0021] 本发明针对传统电介质材料介电性能终端短路法测试系统所存在的校准繁琐、难度大、测试效率低和误差较大的技术问题，对传统的终端短路法测试系统进行了如下改进：

[0022] 1）在毫米波宽带圆锥喇叭天线2的前面加一个隔离器35。由于隔离器35特有的单向传输特性，测试信号只能从矢量网络分析仪4的测试信号输出端传输到被测介质材料，而被测介质材料反射回来的电磁波只能进入矢量网络分析仪4的测试信号输如端而不能进入矢量网络分析仪4的测试信号输出端。加入隔离器35后，信号源与被测介质材料之间的来回反射将极大的减小了，如果隔离器35的隔离度很好，则可以近似认为源失配误差ES=0，这便可省去对源失配误差的校准，减小了校准过程中所产生的误差。

[0023] 2）在毫米波宽带圆锥喇叭天线2和隔离器35之间加一个高方向性的耦合器36。由于耦合器36的高方向性，致使矢量网络分析仪4测试信号输出端几乎所有的输入信号能量经被测介质材料的反射后方能通过耦合器耦合进入矢量网络分析仪4的测试信号输入端，即可以认为方向性误差ED≈0，这就省去了对该误差项的校准；同时，也保证了进入矢量网络分析仪4测试信号输入端口的信号也很难反射回耦合器36的直通端口。

[0024] 经过上述两方面的改进后，该系统的误差项只有频率响应误差ERT，所以当系统校准时只需用矢量网络分析仪4自带的响应校准进行校准，校准过程简单方便，校准的误差也很小。

[0025] 相对于传统复杂繁琐的介质材料测试方式，本发明提供的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统中具有移动真空平台结构的材料加热系统对整个测试过程及测试结果有如下几个优点：

[0026] （1）将测试非空载及空载两种情况融合一体，在一个空间内完成，再运用移动平台15实现测试时两种情况的快速转换，可明显减少测试中为换置材料所花时间，同时大大提高测试效率。

[0027] （2）在真空罩13中加入网状隔离板12，对两种测试情况提供了更好的测试空间，在转换测试的时候进一步保证测试结果的精确性。

[0028] 综上所述，本发明提供的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统具有如下良好效果：

[0029] 一、系统中加入了隔离器和定向耦合器，采用短路相应校准即可达到精确测试的校准要求，降低了校准误差、减少了测量次数、缩短了测量时间、提高了测量精度，整个系统的测试过程及测试结果均达到良好效果。

[0030] 二、系统中的材料加热系统1具有移动真空平台结构，可在不改变温度和真空条件的情况下进行负载和空载测试，极大提高了测试效率。

[0031] 三、系统运作采用自由空间传输方式，系统中主要能量传输器件距材料加热系统1较远，可有效地避免温度过高对微波器件的影响。同时加入水冷系统5，更好地保证系统中不同温度运作环境的良好运行。

[0032] 四、采用抽真空系统6在真空罩内制造真空环境，可以有效的减缓被测材料及加热工件的氧化。往真空炉13中充入惰性气体，防止氧化的效果会更好。

附图说明

[0033] 图1是本发明提供的电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统的结构示意图。其中，1是材料加热系统、2是毫米波宽带圆锥喇叭天线、3是信号能量传输接收系统、4是矢量网络分析仪、5是水冷系统、6是抽真空系统。

[0034] 图2是材料加热系统1详细结构图。其中11是石英透镜（包括第一石英透镜111和第二石英透镜112），12是金属网状隔离板，13是真空罩，14是电磁感应加热装置，15是移动平台。

[0035] 图3是毫米波宽带圆锥喇叭天线2剖面示意图。其中，21是矩圆过渡结构，22是圆锥天线喇叭，231、232是天线单面透镜。

具体实施方式

[0036] 电介质材料介电性能变温测试用自由空间终端短路系统，如图1所示，包括材料加热系统1、毫米波宽带圆锥喇叭天线2、信号能量传输接收系统3、矢量网络分析仪4、水冷系统5、抽真空系统6。

[0037] 材料加热系统1采用移动真空平台结构，该系统包括两个石英透镜111和112、真空罩13、电磁感应加热装置14以及移动平台15。两个相同的石英透镜111和112对称地镶置于真空罩13顶部宽边中线上（即石英透镜111和112的几何中心位于真空罩13顶部宽边中线上，且关于真空罩13顶部宽边中线的中点对称）；电磁感应加热装置14固定于移动平台15上面，对置于电磁感应加热装置14上面的被测样品进行加热；真空罩13将电磁感应加热装置14罩在内部；移动平台能够沿真空罩13顶部宽边中线方向做水平移动。

[0038] 毫米波宽带喇叭天线2采用点聚焦透镜圆锥喇叭结构，如图3所示。该天线由顺序连接的矩圆过渡结构21、天线喇叭22及喇叭透镜23组成。所述喇叭透镜23由两个单面透镜231和232组成双透镜，整个透镜内部空间由聚四氟乙烯填充。

[0039] 信号能量传输接收系统3包括两段同轴电缆31和33，两个同轴-矩形转接头32和34，一个隔离器35和一个耦合器36；矢量网络分析仪测试信号输出端顺序经过第一同轴电缆33、第一同轴-矩形转接头34、隔离器35与耦合器36的直通端相连，耦合器36的直通端口与毫米波宽带喇叭天线2的矩圆过渡结构21相连；耦合器36的耦合端通过第二同轴-矩形转接头32、第二同轴电缆33与矢量网络分析仪测试信号输入端相连。

[0040] 毫米波宽带喇叭天线2位于材料加热系统1的正上方，以保证测试信号能够通过毫米波宽带喇叭天线2、石英透镜111或112进入真空罩13内部空间。

[0041] 水冷系统5与材料加热系统1中的电磁感应加热装置14相连，以实现对电磁感应加热装置14的冷却功能；抽真空系统6与材料加热系统1相连接，以实现对材料加热系统1的真空罩13内部空间抽取真空的功能。

[0042] 进一步地，所述材料加热系统1还包括一个金属网状隔离板12，所述金属网状隔离板12固定于真空罩13顶部，且垂直于真空罩13顶部宽边中线，将真空罩13内部空间隔成两个相对独立的空间。

[0043] 进一步地，所述真空罩13侧面开有真空测量孔，以便于抽真空系统6对真空罩13内部空间抽取真空时对真空度的测量；同时真空罩13侧面开有充气孔，可通过充气空冲入惰性气体，以防止被测样品的高温氧化。

[0044] 进一步地，所述真空罩13侧面开有观察孔，以便于对被测样品进行测试时对被测样品进行观察。

[0045] 利用本发明提供的自由空间终端短路系统进行变温测试的具体步骤是：

[0046] 步骤1：将待测材料放入真空罩13内，置于第二石英透镜112的正下方，固定待测样品。

[0047] 步骤2：利用抽真空系统6对真空罩13抽真空，完后充入氮气进行保护。开启加热设备14，与此同时，水冷系统5开启运转，为材料加热系统1提供循环冷却液。

[0048] 步骤3：将整个腔体加热到所需温度。

[0049] 步骤4：利用矢量网络分析仪4测出被测材料在此温度环境下的插入损耗S21，并加以记录。

[0050] 步骤5：通过移动平台15移动整个加热装置14及真空罩13，使第一石英透镜111置于天线透镜23的正下方，在没有被测样品的情况下重复步骤4，记录空载时的插入损耗。

[0051] 步骤6：根据所测得的腔体加载样品及空载时插入损耗，可计算得到被测介质材料的相对介电常数和损耗角正切。

[0052] 其计算过程如下：

[0053] 根据插入损耗公式：

[0054]

[0055] 式中，S21为插入损耗， γ为波在材料中的传播常数，εr介质材料相对复介电参数，θi为入射角，d为被测平面材料的厚度。

[0056] 因为电磁波垂直入射，即θi=0°，cosθi=1，sinθi=0，式(1)就变成：

[0057]

[0058] 一旦被测材料确定，便可得到此被测材料的传播常数，再由先前记录的插入损耗S21(测量得到的)，根据公式(2)即可反算出被测介质材料的相对复介电常数εr。将εr用复数形式表示出来，如式(3)：

[0059]

[0060] 根据式(3)即可得到被测电介质材料的相对介电常数ε′r和损耗角正切ε′′r。