同轴开放式谐振腔介电性能测试技术研究

摘要

同轴开放式谐振腔（或传输线传感器）微波复介电常数测试技术以其较宽的频带、灵活的样品形状和尺寸、可以进行无损测试等优点，在诸如航空航天、生物化工、医学等领域中发挥着巨大的作用。根据课题要求，本文对同轴开放式谐振腔微波材料复介电常数测试技术进行研究，设计了硬件测试系统，并结合两种不同的算法，对多种微波样品进行复介电常数测试。
　　首先设计硬件测试系统的核心部分——同轴开放式谐振腔腔体。利用同轴波导设计的一些准则，得到谐振腔内外导体的尺寸，结合与品质因数相关的因素，确定开路的一端采用渐变式结构。研究谐振腔的耦合方式以及耦合装置位置对谐振腔特性参数的影响，确定使用弱的磁耦合方式以及耦合装置的相对位置。利用HFSS软件对设计的谐振腔进行建模仿真，并加工调试，完成良好性能的谐振腔设计。
　　其次，从两个方向对测试算法进行研究：基于微扰的数值分析算法和等效集总参数法。在腔体开路端放置样品前后，谐振腔会发生微扰使其特性参数改变，利用3D全波分析计算软件对腔体建模仿真，得到基本参考数据库，再从数值分析的角度求解材料复介电常数与腔体特性参数相对变化量的函数关系；根据腔体的等效RLC串联谐振回路，结合材料分层测试理论，得到目标函数方程。
　　最后，设计样品测试夹具、加压装置以及校准装置，组装调试实验测试系统，并对石英、聚四氟乙烯、氧化铍、FR-4以及纯净水、酒精进行测试，分别利用两种算法对数据进行处理和结果对比分析，并做误差讨论。从结果分析可以得出，测试系统达到测试指标：
　　测试频率：300MHz-5GHz（5个频点）；
　　测试样品：固体材料、液体材料；
　　εr'=1～70；tanδ=1×10-5≤～0.5
　　测试误差:∣Δεr'/εr'∣≤5.0％；
　　∣Δtanδs/εr'∣≤5.0%×Δtanδs0.0008(低损耗材料)；
　　∣Δtanδs/εr'∣≤5.0%×Δtanδs0.04(高损耗材料)。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究动态

1.3 本文研究内容

第二章 测试腔体系统设计

2.1 同轴开放式谐振腔测试系统

2.2 测试用同轴开放式谐振腔的设计

2.3 本章小结

第三章 测试原理分析

3.1 微扰法测试原理

3.2 等效集总电路参数法测试原理

3.3 本章小结

第四章 实验测试系统的设计与搭建

4.1 用于测试的谐振腔设计

4.2 测试夹具设计

4.3 加压装置设计

4.4 系统校准装置及方法

4.5 测试系统组装调试

4.6 本章小结

第五章 测试的步骤及数据提取与误差讨论

5.1 压力传感器的使用

5.2 固态微波样品测试

5.3 液态样品测试

5.4 同轴开放式谐振腔测试系统误差分析

5.5 本章小结

第六章 结论

6.1 课题研究内容与研究成果

6.2 后续研究延伸展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果