X波段准光腔材料的测定方法及其介电常数测量方法

摘要

本发明公开一种X波段准光腔材料的测定方法，该测定方法包括如下步骤：1)根据准光腔腔体材质或镀层材质确定趋肤深度；2)根据准光腔品质因数和趋肤深度Q确定腔长D取值范围；3)根据准光腔曲率因子和本征谱线纯度确定球面镜曲率半径R取值范围；4)确定准光腔球面镜口径A1为350mm；5)确定准光腔平面镜直径A2为250mm；6)确定准光腔的信号耦合性，所述准光腔的球面镜顶端与耦合波导的底端固定连接。该测量方法简单便捷，测量准确度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种准光腔材料介电常数测量方法，特别是涉及一种X波段准 光腔材料的测定方法及其介电常数测量方法。

背景技术

准光腔法以非破坏性、适于小损耗材料高精度测量等优点在毫米波频段被 广泛采用。在厘米波频段测量小损耗材料广泛采用封闭谐振腔，但该方法对材 料加工要求严格，不易实现温度环境模拟，且决定小损耗测量能力的品质因数 很难超过1万。

准光腔法基本原理是通过比较被测材料放入前后谐振频率或腔长、品质因 数的变化，结合被测材料厚度、初始腔长等参数，推导出介电常数和损耗角正 切。准光腔测量属于谐振腔法，具有多值特点，且测量精度与谐振频率、被测 样品厚度密切相关。只有谐振频率、被测样品厚度都选择合适才能得到足够高 的测量精度。这就要求测量前需要知道被测样品介电常数的估计值，才能根据 测量频率设计出合适的样品厚度，得到准确唯一的介电常数测量结果。但大多 数情况下，被测样片的介电常数未知，如何设计被测样品厚度才能得到高准确 度的介电常数测量结果。传统的解决方法是通过测量两个不同厚度的被测样品 确定其介电常数。但经过理论验证该方法不仅麻烦，而且不能完全有效的解决 介电常数多值问题。

采用准光腔测量材料介电常数时，通常要求被测样品放入准光腔后的谐振 频率偏移量小于相邻模式的频率间隔。实际测量过程中，相邻模式的频率间隔 一般为几百兆赫兹，如果被测样品介电常数较大或厚度较厚，则放入准光腔后 引起的频偏将大于相邻模式的频率间隔，寻找与空腔模式相同的有载模式变得 十分困难。传统测量方法限制介电常数在很小的一个可测量范围。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种X波段准光腔材料的测定方法 及其介电常数测量方法，已提高X波段准光腔的品质因数，同时能够实现X波 段小损耗材料介电常数的高精度测量。

本发明采用下述技术方案：

X波段准光腔材料的测定方法，该测定方法包括如下步骤：

1)根据准光腔腔体材质或镀层材质确定趋肤深度；

2)根据准光腔品质因数和趋肤深度Q确定腔长D取值范围；

3)根据准光腔曲率因子和本征谱线纯度确定球面镜曲率半径R取值范围；

4)确定准光腔球面镜口径A1为350mm；

5)确定准光腔平面镜直径A2为250mm；

6)确定准光腔的信号耦合性，所述准光腔的球面镜顶端与耦合波导的底 端固定连接。

进一步，所述腔体材质采用黄铜时，在8.2GHz～12.4GHz频率范围，趋肤 深度δ＝(1.14～1.4)um；

所述品质因数Q大于8万时，由式(1)得到D大于224.4mm，选取D＝250mm；

D＞2δQ      (1)

所述球面镜曲率半径R∈[320mm,333mm]；

所述耦合波导的耦合孔之间设置有0.5mm的缝隙。

X波段准光腔材料测量介电常数的方法，该方法包括如下步骤：

1)在X波段准光腔工作频段内等间隔选择多个测试频点；

2)对所述多个测试频点下，被测样品进行介电常数测量，得到各个介电 常数结果；

3)将所述各个介电常数结果进行描点，得到介电常数的起伏曲线；

4)取所述起伏曲线的中心值，该中心值即为被测样品最终介电常数结果。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种新的X波段准光腔测量方法，新的测量方法简单便捷，测 量准确度较高，为准光腔法的应用开拓了新的测量思路。本发明提出的一种多 模式组合测量方法，拓展了介电常数的可测量范围，增强了该方法的可用性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1(a)示出准光腔球面镜俯视图；

图1(b)示出耦合波导底端仰视图；

图1(c)示出耦合波导侧视图。

图2示出耦合波导与球面镜位置示意图；

图3示出准光腔不同模式下多个谐振频率图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步 的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当 理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明 的保护范围。

本发明提供一种X波段准光腔，品质因数最高达5万以上，实现X波段 (8.2GHz～12.4GHz)小损耗材料介电常数的高精度测量；同时提出一种新的X波 段准光腔测量方法，当介电常数未知时，通过测量一块任意厚度的被测样品得 到其介电常数真值；还提出了一种多模式组合测量方法，拓展了介电常数的可 测量范围。本发明解决了X波段小损耗材料介电常数的高精度测量问题，为其 它厘米波频段小损耗材料介电常数的测量提供参考依据。新的测量方法简单便 捷，测量准确度较高，为准光腔法的应用开拓了新的测量思路。多模式组合测 量方法拓宽了准光腔的测量范围，增强了该方法的可用性。

X波段准光腔采用传输式半对称结构，X波段准光腔材料的测定方法包括 如下内容。

1)根据腔体材质或镀层材质计算趋肤深度,本发明采用黄铜加工准光腔， 在8.2GHz～12.4GHz频率范围，趋肤深度δ＝(1.14～1.4)um。

2)根据品质因数Q确定目标推出腔长D取值范围，拟设计Q大于8万，由 式(1)得到D大于224.4mm，选取D＝250mm。

D＞2δQ      (1)

3)根据曲率因子和本征谱线纯度确定球面镜曲率半径R取值范围。

首先，曲率因子一般取值(0.2,0.6)，即可以推出R∈ [312.5mm,625mm]。

准光腔工作在TEM_00q模式，其相邻的两个高次模分别为TEM_10(q-1)、TEM_11(q-1)。 $\Delta f_1=\frac{c}{2D}[\frac{2}{\pi }{\tan }^{-1}\sqrt{D/(R-D)}-1]$或$\Delta f_2=\frac{c}{2D}[\frac{3}{\pi }{\tan }^{-1}\sqrt{D/(R-D)}-1]$

因此R取值区间[250mm,333mm]才能保证得Δf₁和Δf₂都尽可能大，此时R 应取值[312.5mm,333mm]。由于D取值与R相关，为了减小系统尺寸，综上R 的区间下限取整320mm。

3)设计球面镜口径A1为350mm。选择A1为5倍的束半径，即可有效的限 制高次模的产生，又保证准光腔工作TEM_00q模式。

4)设计平面镜直径A2为250mm。选择A2为5倍波束宽度。

5)信号耦合设计。准光腔采用小孔耦合传输信号。壁厚一般选择为0.5mm， 耦合孔直径3.8mm，耦合孔间距11.16mm。该发明大胆的提出了将球面镜中心 位置的球顶移至耦合波导上，且与耦合波导成为一体，并且两耦合孔中间切割 出0.5mm的缝隙，与输入和输出两个波导口间的波导壁焊接，从硬件结构上隔 绝了两波导之间的泄漏。该结构如图1所示，图1(a)为准光腔球面镜俯视图， 其圆顶处圆孔与耦合波导装配；图1(b)为耦合波导底端仰视图；图1(c)为耦 合波导侧视图。这种结构较常见耦合波导结构大大降低耦合波导两个波导口之 间的泄漏耦合，经过校准后系统动态可达到120dB。

如图2所示，由于品质因数对耦合波导与球面镜配合的位置十分敏感，按 照设计理论，耦合孔1应该位于球面镜2的顶点，但由于耦合波导3与球面镜 分体加工，耦合波导底部是平面，该平面与球面镜的配合通常不能刚好位于球 面镜的顶点位置。这需要将耦合波导长度稍稍变短，如图2所示，实施例中耦 合波导从位置4处变到位置5处。虽然位置4和位置5之间差别很小，仅为几 百微米，不超过1mm，但这点差距对品质因数的影响却非常剧烈。经过试验证 明耦合波导与球面镜配合在位置2处最合适。

确定好耦合波导与球面镜的位置后，X波段准光腔设计完成。配合网络分 析仪、控制平台等可开展8.2GHz～12.4GHz频率范围小损耗材料介电常数的高 精度测量，损耗角测量能力达2E-5以上。

本发明还提供一种X波段准光腔测量方法。

当测量介电常数未知的某被测样品时，在X波段全带宽内等间隔选择多个 频点，推荐频率间隔为500MHz，间隔越小，测量精度越高。对各频点测得的介 电常数结果进行描点得到介电常数的起伏曲线。该区间的中心值即为介电常数 测量结果ε，该结果测量误差小于1％～3％，满足工程应用要求。

本发明还能够实现X波段准光腔多模式测量。

准光腔工作在TEM_00q模式。准光腔腔长固定后，对应不同模式存在多个谐 振频率，被测样品的放入将引起谐振频率偏移，如图3所示。实线表示各模式 对应的空腔谐振频率，虚线表示各模式对应的有载谐振频率。

通常选择模式相同的空腔谐振频率和有载谐振频率进行介电常数测量。但 当样品引入的频率偏移量大于相邻模式的频率间隔时，寻找与空腔谐振频率模 式相同的有载频率变得十分困难。这时无论采用变频率法还是变腔长法测量都 很难保证选择的有载模式与空腔模式一致。采用变腔长法测量时，在改变腔长 的过程中将出现多个腔长变化量对应的有载谐振频率等于空腔谐振频率，但只 有一个腔长变化量对应有载谐振频率的模式等于空腔谐振频率的模式。采用变 频率法测量时，邻近空腔谐振频率的有载谐振频率，其模式不能确定与空腔模 式相同。如何判断合理的频率偏移量或腔长变化量是难点之一。针对该问题， 通常选用介电常数小且厚度较薄的被测样品使频率偏移量小于相邻模式的频 率间隔。这从理论上制约了准光腔系统介电常数的可测量范围。本发明提出： 采用变频率法的空腔谐振频率与任意模式有载谐振频率组合或采用变腔长法 的空腔谐振频率与任意模式腔长改变量组合均可得到正确的介电常数结果，其 误差约为3％，满足工程应用要求。

下面举例说明本发明的具体实施过程。

X波段准光腔材料介电常数测量具体实施步骤：X波段球面镜曲率半径为 320mm，口面直径为350mm，球冠高度为52.09mm，加工精度为10um；X波段平 面镜直径为250mm，厚度为5mm，加工精度为50um；采用黄铜加工，并经过研 磨工序，表面光洁度达Δ10级以上；配合网络分析仪、电缆转接等组建X波 段准光腔测量系统。设置网络分析仪测量参数为S₂₁，扫描点数为201，功率电 平为0dBm，中频带宽为30Hz，采用传输隔离校准方法进行系统校准后，调节 准光腔腔长为272.53mm，选择测量频率为10.436GHz，对应测量模式为TEM₀₀₁₃， 测得空腔品质因数为17396。标准样片聚四氟乙烯厚度为10mm，直径为115mm。 采用该系统测量聚四氟乙烯标准样片得到介电常数结果为2.03，损耗角结果为 0.0028，与参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。

当测量某介电常数未知的被测样片时，在X波段全带宽内间隔选择8个测 量频点8.5GHz、9GHz、9.5GHz、10GHz、10.5GHz、11GHz、11.5GHz、12GHz， 在每个测量频点对同一块被测样品(厚度为20mm，直径为115mm)进行测量得到 介电常数测量结果分别为2.13、1.90、1.85、1.87、2.01、2.19、2.24、2.19， 损耗角正切测量结果为0.0014、0.0018、0.0012、0.0003、0.0011、0.0008、 0.0001、0.0000。介电常数测量结果区间中心值为2.045，损耗角正切为0.0009。 与参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。

选取TEM₀₀₁₆，空腔谐振腔长为216.1896mm，空腔谐振频率为11.992GHz。 采用变腔长法测量聚四氟乙烯标准样片(样品厚度为10mm，直径115mm)。空腔 模式和有载模式谐振频率组合得到介电常数计算结果如表1所示。任意有载模 式的腔长变化量或频率偏移量与空腔模式组合均得到较为可靠的计算结果，与 参考文献给出的聚四氟乙烯的标准值符合较好。

表1各谐振模式组合得到的介电常数结果(变频率法)

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施 方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之列。