一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的方法

摘要

一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的方法，涉及检测材料性能参数的领域。所述纳米薄膜片式材料测量装置包含矩形腔传感器、微波矢量网络分析仪、输入同轴电缆、输出同轴电缆、GPIB数据采集卡和计算机。本发明可进行纯介电材料复介电常数(介电常数，介电损耗系数)、纯磁性材料复磁导率(磁导率，磁损耗系数)及混合介质材料复介质常数(介电常数，介电损耗系数，磁导率，磁损耗系数)的检测，具有多功能和多模式，检测方法精确度高、实验操作方便。

说明书

技术领域

本发明涉及检测材料性能参数的领域，尤其涉及一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的方法。

背景技术

随着现代科技的迅速发展，纳米薄膜片式材料构成器件的需求和研究得到了巨大的提升，微波器件的片式集成化已经成为目前射频、微波器件的发展趋势，同样纳米薄膜材料片式材料也已经广泛应用于电子产业的各个领域。对微波薄膜片式材料而言，复介质常数(ε′、ε″、μ′、μ″)是表征材料特性的重要参数，是决定纳米薄膜片式材料适用性的重要因素之一。因此准确地测量纳米薄膜片式材料复介质常数已变得更为重要。

由于纳米薄膜片式材料的厚度薄、体积小，导致实验的精确度大大降低，在测量上也带来了巨大的困难。目前，国内外测量纳米薄膜材料片式材料的性能都是较为低频的测试仪器及传感器。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的方法，所采用的装置结构简单，而且具有多功能和多模式，检测方法精确度高、实验操作方便，可测试纯电介质、纯磁性和复合介质的纳米薄膜片式材料，适用于科研单位及工厂企业。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的装置，包括矩形腔传感器、微波矢量网络分析仪、输入同轴电缆、输出同轴电缆、GPIB数据采集卡和计算机；输入同轴电缆的一端连接微波矢量网络分析仪的微波信号输出端口，输入同轴电缆的另一端连接矩形腔传感器的输入端；输出同轴电缆的一端连接矩形腔传感器的输出端，输出同轴电缆的另一端连接微波矢量网络分析仪的微波信号输入端口；GPIB数据采集卡的输入端与微波矢量网络分析仪的数据输出端连接，GPIB数据采集卡的输出端与计算机相连接。

所述矩形腔传感器包括矩形波导、2个同轴波导转换器和2个方形耦合金属短路片；同轴波导转换器分别对称地装接于矩形波导的两端；矩形波导的两端还对称开设有垂直于矩形波导长边且贯穿矩形波导的腔体的第一短路槽，且第一短路槽相对于同轴波导转换器朝内，所述方形耦合金属短路片可插接于第一短路槽内；所述矩形波导的中部开设有平行于矩形波导的腔体长边且贯穿腔体的中心样品槽。

所述中心样品槽的两边均布对称开设有垂直于中心样品槽且贯穿腔体的第二短路槽，第二短路槽的长度与腔体内侧的宽边长度一致，相邻的第二短路槽间距为微波工作波长的1/2；相邻的第二短路槽分别设有平行且紧贴竖向短路槽且贯穿腔体的横向样品槽、垂直且横设于竖向短路槽且贯穿腔体的纵向样品槽，且纵向样品槽与第二短路槽共同形成十字形结构。

所述矩形腔传感器还包括T形耦合金属短路片；所述T形耦合金属短路片的个数为2，T形耦合金属短路片可对称插接于第二短路槽内。

所述矩形腔传感器还包括样品测试盒，样品测试盒可放置于中心样品槽、横向样品槽或纵向样品槽内；中心样品槽、横向样品槽和纵向样品槽的长与宽与样品测试盒的截面积一致；样品测试盒包括第一T形有机片、第二T形有机片和第三T形有机片；第二T形有机片上开设有样品槽，所述样品槽的形状为矩形，第一T形有机片和第三T形有机片分别覆盖于第二T形有机片的上下方。

一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的方法，包括以下步骤：

步骤1、将纳米材料使用溅射技术均匀溅射在矩形基片上，所述基片为低电介质材料构成的基片，片式材料同样可制作成或切割成矩形片式样品；

步骤2、首先将2个同轴波导转换器分别连接输入同轴电缆和输出同轴电缆，将方形耦合金属短路片或T形耦合金属短路片插入对应的槽中，将GPIB数据采集卡的输入端和输出端分别连接微波矢量网络分析仪和计算机，然后启动计算机的自动测试软件，对微波矢量网络分析仪进行归一化；

步骤3、完成归一化后，启动计算机的自动测试软件，在软件提示下依次按照测试顺序测量空腔、空的样品测试盒、放入基片的样品测试盒的谐振频率和品质因数的信息，自动保存所测参数；

步骤4、当进行纳米薄膜片式材料的复介质常数测量时，首先将样品测试盒内的基片换成纳米薄膜片式材料，然后在计算机的软件提示下，检测并保存所测参数，最后计算出纳米薄膜片式材料的复介质常数，并将每次开机后空腔，空的样品测试盒及基片的测试值与实际理论值，计算出修正系数，对测试结果进行修正，并进入数据库列表保存。

在步骤2中，根据微扰量大小参数不同的纳米薄膜片式材料，选择合适的工作模式，所述工作模式包括将两个方形耦合金属短路片分别插接在第一短路槽内、将两个T形耦合金属短路片分别插接在中心槽两侧相对称的第二短路槽内，方形耦合金属短路片或T形耦合金属短路片越远离中心样品槽，工作模式越高，微扰量过小选较低的工作模式，微扰量过大选较高的工作模式。

当测试纯电介质材料时，将样品测试盒置于中心样品槽内；可获得最强的电介质纳米薄膜片式材料微扰后的频率偏移微扰量f-f₀及品质因数微扰量Q-Q₀，因所有奇数模中心都是电场波腹处，即电场最强区。

当测试无激励方向要求的纯磁介质纳米薄膜片式材料时，将样品测试盒置于纵向样品槽内；纵向样品槽都开至磁场波腹区域，同样可获得较强的磁介质纳米薄膜片式材料微扰后的频率偏移微扰量f-f₀及品质因数微扰量Q-Q₀。

当测试有激励方向要求的纯磁介质纳米薄膜片式材料时，将样品测试盒置于横向样品槽内，且将测试样品在垂直方向和水平方向分别检测以获取难激励和易激励两组数据；横向样品槽也都开至磁场波腹区域，同样可获得较强的磁介质纳米薄膜片式材料微扰后的频率偏移微扰量f-f₀及品质因数微扰量Q-Q₀。

本发明的矩形腔传感器同时具备中心样品槽、横向样品槽、纵向样品槽、第一短路槽和第二短路槽，而且在同一个腔体，同一频率点下，同时拥有电场波腹区及磁场的波腹区检测槽的检测条件下，因此可应对被测材料为电介质与磁介质混合组成为混合介质的纳米薄膜片式材料。

当测试电介质与磁介质混合的混合介质纳米薄膜片式材料时，首先将样品测试盒置于中心样品槽内，得电场波腹区中混合介质纳米薄膜片式材料微扰后的频率偏移微扰量f₁-f₀及品质因数微扰量Q₁-Q₀，然后再将无激励方向要求的混合介质纳米薄膜片式材料样品测试盒放置于纵向样品槽内，得磁场波腹区中混合介质纳米薄膜片式材料微扰后的频率偏移微扰量f₂-f₀及品质因数微扰量Q₂-Q₀，两次检测获取四个已知量为在同一腔体和同一谐振点下所获取的已知量，可建立四个方程式，并联立方程求解，计算出混合介质纳米薄膜片式材料所需的四个未知量ε′、ε″、μ′、μ″；对于有激励方向要求的混合介质纳米薄膜片式材料样品测试盒放置于横向样品槽内，样品垂直方向及水平方向分别检测一次，得f₃-f₀、Q₃-Q₀、f₄-f₀和Q₄-Q₀，建立6个方程式，获取6个未知量ε′、ε″、μ′₃、μ′₄、μ″₃、μ″₄：

其中ε＝ε′-jε″，μ＝μ′-jμ″，ε和μ分别为复介电常数和复磁导率，ε₀和μ₀分别为真空中介电常数和磁导率，ε′和μ′分别为介电常数和磁导率，ε″和μ″分别为介电损耗系数和磁损耗系数，和分别为复共轭电场和磁场，E和H分别为电场和磁场，V和ΔV分别为矩形波导的体积和纳米薄膜片式材料的体积，f₀和Q₀分别为基片放入样品盒测得的谐振频率和品质因数。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明选用多功能矩形腔微扰法对纳米薄膜片式材料的性能进行测量，基于麦克斯韦方程推导出了多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜片式材料复介质常数的计算公式，采用矩形腔传感器以及Agilent E8362B微波矢量网络分析仪和计算机，建立了纳米薄膜片式材料参数测量系统，然后利用虚拟仪器技术VEE开发了自动测试软件，并利用多功能的矩形腔自动测量系统对纳米薄膜片式材料样品的复介质常数进行测试。

2、本发明可测试纯介电材料复介电常数(介电常数，介电损耗系数)、纯磁性材料复磁导率(磁导率，磁损耗系数)及混合介质材料复介质常数(介电常数，介电损耗系数，磁导率，磁损耗系数)的检测，检测范围广，适用性强，精确度高。

附图说明

图1为多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的装置的结构示意图；

图2为矩形腔传感器的主视示意图；

图3为矩形腔传感器的俯视示意图；

图4为方形耦合金属短路片的结构示意图；

图5为T形耦合金属短路片的结构示意图；

图6为样品测试盒的分解示意图。

附图说明：微波矢量网络分析仪101，计算机102，矩形腔传感器103，输入同轴电缆104，输出同轴电缆105，GPIB数据采集卡106，矩形波导1，同轴波导转换器2，方形耦合金属短路片3，第一短路槽4，样品测试盒5，T形耦合金属短路片6，中心样品槽17，第二短路槽7、10、11、13、15、18、21、22、25、27，横向样品槽8、12、16、20、24，纵向样品槽9、14、19、23、26，第一T形有机片51，第二T形有机片52，第三梯形有机片53，矩形样品槽521，耦合孔31、61。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的装置，包括矩形腔传感器103、微波矢量网络分析仪101、输入同轴电缆104、输出同轴电缆105、GPIB数据采集卡106和计算机102；输入同轴电缆104的一端连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104的另一端连接矩形腔传感器103的输入端；输出同轴电缆105的一端连接矩形腔传感器103的输出端，输出同轴电缆105的另一端连接微波矢量网络分析仪101的微波信号输入端口；GPIB数据采集卡106的输入端与微波矢量网络分析仪101的数据输出端连接，GPIB数据采集卡106的输出端与计算机102相连接。微波矢量网络分析仪101采用Agilent E8362B微波矢量网络分析仪。

如图2～3所示，所述矩形腔传感器103包括矩形波导1、同轴波导转换器2、方形耦合金属短路片3、T形耦合金属短路片6和样品测试盒5；其中同轴波导转换器2、方形耦合金属短路片3和T形耦合金属短路片6的个数分别2个。

同轴波导转换器2分别对称地装接于矩形波导1的两端；矩形波导1的两端还对称开设有垂直于矩形波导1长边且贯穿矩形波导的腔体的第一短路槽4，且第一短路槽4相对于同轴波导转换器2朝内，所述方形耦合金属短路片3可插接于第一短路槽4内。

如图3所示，所述矩形波导1的中部开设有平行于矩形波导的腔体长边且贯穿腔体的中心样品槽；所述中心样品槽的两边均布对称开设有垂直于中心样品槽且贯穿腔体的第二短路槽，第二短路槽的长度与腔体内侧的宽边长度一致，相邻的第二短路槽间距为微波工作波长的1/2；相邻的第二短路槽分别设有平行且紧贴竖向短路槽且贯穿腔体的横向样品槽、垂直且横设于竖向短路槽且贯穿腔体的纵向样品槽，且纵向样品槽与第二短路槽共同形成十字形结构。

本实施例中：第一短路槽为4；中心样品槽为17；第二短路槽包括7、10、11、13、15、18、21、22、25和27；横向样品槽包括8、12、16、20和24；纵向样品槽包括9、14、19、23和26。

所述T形耦合金属短路片6可对称插接于第二短路槽内。

如图4～5所示，方形耦合金属短路片3和T形耦合金属短路片6的中部分别设有耦合孔31和61。

所述样品测试盒5可放置于中心样品槽、横向样品槽或纵向样品槽内；中心样品槽、横向样品槽和纵向样品槽的长与宽与样品测试盒5的截面积一致。

如图6所示，样品测试盒5包括第一T形有机片51、第二T形有机片52和第三T形有机片53；第二T形有机片52的中间开设有矩形样品槽521，第一T形有机片51和第三T形有机片53分别覆盖于第二T形有机片52的上下方，以叠加组成样品测试盒5；可实现不同模式下进行多次测量，有利于提高测量精度，实验操作简单方便。

当方形耦合金属短路片3不插入矩形波导1的两端时，此时矩形波导1为传输法传感器，整个检测系统进入扫频检测状态，可获取插入横向样品槽和纵向样品槽的纳米薄膜片式材料的传输参数。为减少辐射，提高腔体Q值，检测时可将不用的多功能矩形腔上的所有空槽，用金属铜膜覆盖黏贴上。

一种多功能矩形腔微扰法检测纳米薄膜复介质常数的方法，包括以下步骤：

步骤1、将纳米材料使用溅射技术均匀溅射在矩形基片上，所述基片为低电介质材料构成的基片，片式材料同样可制作成或切割成矩形片式样品；本实施例的基片采用LaAlO₃、聚四氟乙烯或聚苯乙烯矩形基片；

步骤2、首先将2个同轴波导转换器2分别连接输入同轴电缆104和输出同轴电缆105，将方形耦合金属短路片3或T形耦合金属短路片6插入对应的槽中，将GPIB数据采集卡106的输入端和输出端分别连接微波矢量网络分析仪101和计算机102，然后启动计算机102的自动测试软件，对微波矢量网络分析仪101进行归一化；

步骤3、完成归一化后，启动计算机102的自行编制的VEE测试软件，在软件提示下依次按照测试顺序测量空腔、空的样品测试盒、放入基片的样品测试盒的谐振频率和品质因数的信息，自动保存所测参数；

步骤4、当进行纳米薄膜片式材料的复介质常数测量时，首先将样品测试盒内的基片换成纳米薄膜片式材料，然后在计算机102的软件提示下，检测并保存所测参数，最后计算出纳米薄膜片式材料的复介质常数，并将每次开机后空腔，空的样品测试盒及基片的测试值与实际理论值，计算出修正系数，对测试结果进行修正，并进入数据库列表保存。

在步骤2中，根据微扰量大小参数不同的纳米薄膜片式材料，选择合适的工作模式，所述工作模式包括将两个方形耦合金属短路片3分别插接在第一短路槽内、将两个T形耦合金属短路片6分别插接在中心槽两侧相对称的第二短路槽内，方形耦合金属短路片3或T形耦合金属短路片6越远离中心样品槽，工作模式越高，微扰量过小选较低的工作模式，微扰量过大选较高的工作模式。方形耦合金属短路片3每片的厚度为1mm，方形耦合金属短路片3连接在腔体两端的第一短路槽4内，构成H1011工作模式；T形耦合金属短路片6的厚度为每片1mm，T形耦合金属短路片6插接在第二短路槽(7、10、11、13、15、18、21、22、25和27)，构成H101～H109的工作模式。

本发明采用灵活插接短路片的方式，获取一腔多模的便捷选择方式。针对微扰量大小参数不同的纳米薄膜片式材料，微扰量过小选小腔，如选择较低工作模H101(T形耦合金属短路片6灵活插接于15和18槽)、H103(13和21槽)、H105(11和22槽)；微扰量过大选大腔，如选较高工作模式H107(10和25槽)、H109(7和27槽)、H1011(28和29槽)，其中H1011是最高的工作模式，方形耦合金属短路片3插接于第一短路槽4内；本发明可保证不同材料都可获得合理微扰量(频率偏移量)，获最佳测试精确度。

本实施例中将纯电介质的纳米材料分别于700℃和775℃溅射在基片上得到样品1和样品2，样品1和样品2的厚度均为800nm，表1为样品1、样品2和厚度为0.932mm的T形有机片在H109腔体下测量的数据表。

表1

如表1所示，损耗角正切随谐振频率的升高成正比，样品1、样品2和T形有机片在多次测量下的介电常数和损耗角正切基本稳定，相对误差基本在10％以内，因此可说明实验的准确性。