准光复合镜/腔测量技术研究

摘要

毫米波介质材料已广泛应用于卫星通信、军事航空航天、精确制导等行业各领域，且经常需要工作在变温环境下。对于如高速飞行的航天飞行器上的天线罩等介质材料，需要经历常温至上千摄氏度的温度环境，材料介电特性会发生剧烈的变化，这直接关系到电子设备及整机的性能及可靠性。因此在设计研发阶段，需要了解并控制介电特性随频率和温度变化产生的变化对设备性能的影响。复介电常数是表征材料介电特性的重要参量，在毫米波波段设计一套完善的复介电常数的超高温测量系统尤为必要并具有很高的工程应用价值。
　　目前毫米波波段适用的复介电常数高温测试的主流方法-传统开放腔法和自由空间法均有一定的局限性与不足。传统开放腔法测量精度高，但仅适用于测量低损耗材料，且因金属氧化等问题导致在大气环境下的测量温度很难突破1200℃;自由空间法因材料非接触的特点可实现高于1200℃的超高温测试，但仅适用于测量高损材料，且精度有限。
　　因此目前没有任何一套测试系统能实现在大气环境下测温高达1600℃且同时适用于低损耗材料和高损耗材料复介电常数测量。本文设计的复用型椭球镜/腔超高温测试方案能实现这一目标，系统由椭球镜测量系统（基于自由空间法）和椭球腔测量系统（基于开放腔法）复用组成，兼备了两种方法的优点，也弥补了各自的不足，为相互孤立的各测量方法之间建立了联系，填补了目前没有一套系统能同时适用于低损和高损材料超高温高精度测量的空白。
　　本文首先为该复用型系统建立了完善的测试理论。从椭球腔空腔及介质加载腔腔内场分布表达式出发，推导出用于反演相对介电常数的超越方程和损耗正切的公式，结合椭球镜系统测试基于的自由空间法，组成了完善的测试理论。
　　接着在测试理论的指导下，通过算法优化选取了合适的高斯参数并完成了椭球反射镜和激励结构的设计，进而完成了常温系统的设计;然后利用全波分析软件CST对常温系统进行了验证，最终证明了测试理论与系统设计思路的正确性，验证了系统用于相对介电常数测量的可行性。
　　最后为进行实物测试，本文先后为硬件系统设计了两套实物方案并进行了较为详尽的容差分析，考虑加工成本等因素，最终方案二将用于实物加工。
　　本文完成了从理论推导到系统设计、设计验证、硬件实物设计及容差分析的全过程。由于客观因素限制，最后未来得及进行实物及其高温测试，但本文重点论证了该复用型椭球镜/腔系统的测试方案能用于在大气环境下实现高于1200℃超高温测量且同时适用于低损和高损材料测量的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 复介电常数变温测量国内外研究现状

1．2．1 复介电常数常温及变温测量方法综述

1．2．2 自由空间法研究现状

1．2．3 开放腔法研究现状

1．3 本文研究内容和意义及论文组织

第二章 测试理论的建立

2．1 系统综述

2．2．1 近轴波动方程

2．2．2 高斯束变换

2．3 椭球镜系统测试原理

2．4 椭球腔系统测试原理

2．4．1 复点源理论

2．4．2 空腔内场驻波解

2．4．3 加载腔场驻波解

2．4．4 相对介电常数理论公式

2．4．5 损耗正切理论公式

2．4．6 空腔谐振频率理论公式

2．5 本章小结

第三章 常温系统设计

3．1 椭球反射镜的设计

3．1．1 设计原理及思路

3．1．2 坐标变换与方程表达式

3．1．3 高斯参数的选取

3．1．4 椭球反射镜设计

3．2 椭球腔常温系统的设计

3．2．1 椭球腔的基本参量

3．2．2 椭球腔常温系统的设计

3．3 椭球镜常温系统的设计

3．4 本章小结

第四章 常温系统设计的全波分析验证

4．1 测试／仿真方法与流程

4．1．1 椭球腔系统测试方法

4．1．2 测试／仿真流程

4．2 椭球反射镜设计的验证

4．3 空腔仿真验证

4．3．1 单椭球腔

4．3．2 椭球腔

4．4 加载腔验证及相对介电常数反演结果

4．4．1 单椭球腔

4．4．2 椭球腔

4．5 本章小结

第五章 实物集成设计与容差分析

5．1 前期实物集成设计与容差分析

5．1．1 参数验证

5．1．2 实物集成设计

5．1．3 容差分析

5．1．4 前期实物设计小结

5．2 实物集成设计的调整

5．2．1 参数验证

5．2．2 实物集成设计

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文