一种带状线谐振器及微波薄膜材料电磁参数测试装置

摘要

一种带状线谐振器及微波薄膜材料电磁参数测试装置，属于微波测试技术领域。带状线谐振器包括金属接地板4、内导体5、金属短路板6和耦合环7等四个部分，所述两块相互平行的金属接地板4的两端分别与金属断路板6连接，内导体5处于两块金属接地板4的中间，其中一块金属接地板4与内导体5相连的上下方的适当位置具有两个耦合环7，以实现微波信号的输入和输出。微波薄膜材料电磁参数测试装置包括微波信号源1、本发明所述的带状线谐振器2和标量网络分析仪3。本发明的带状线谐振器具有工作频率宽、体积小、使用方便、测试误差小等优点。本发明的微波薄膜材料电磁参数测试装置，能够在各个微波频段范围内对微波薄膜材料电磁参数进行测试。

说明书

技术领域

一种带状线谐振器及微波薄膜材料电磁参数测试装置，属于微波测试技术领域，特别涉及微波薄膜材料电磁参数测试。

背景技术

微波薄膜材料作为一种多功能材料，其性能的优劣必须经过性能参数的实际测试。描述微波薄膜材料电磁特性的两个基本参数是复介电常数和复磁导率，它们是评价微波薄膜材料电磁性能优劣的主要依据，也是进行电磁屏蔽设计和微波通信设计的重要参数。

国外对微波薄膜材料电磁参数在微波频段下的测试工作已开展了十多年，常用的测试方法为网络参数法。网络参数法通过测试放置有被测微波薄膜材料的微波传输线的散射参数，计算出被测材料的电磁参数。所采用的传输线的类型有：带状线、微带线、矩形波导、共面波导及同轴线等。网络参数法的测试频率范围较宽，但测试传感器的制作复杂、高次模式影响大、测试误差较大。

对于微波薄膜材料电磁参数的测试，也可以采用谐振腔微扰法。文献“张秀成，聂彦，何华辉等，微波薄膜材料复介电常数与复磁导率测试研究，华中科技大学学报，2004，Vol.32，No.4，p 90～92.”利用矩形谐振腔微扰法进行2GHz附近的微波薄膜材料电磁测试技术研究。测试频率范围窄，若进行更低频率(例如1GHz)的电磁参数测试，所需用的矩形谐振器体积极大，所需制作的测试样品也很大，测试夹具及样品的制作难度增加。

上述网络参数法和谐振腔微扰法对微波薄膜材料进行电磁参数测试时，其测试频率范围有限，不能实现对微波薄膜材料电磁参数的宽频测试；另外，因薄膜样品厚度较薄，受基底材料和测试方法的限制，在测量的稳定性和准确性等方面都还存在着一些缺陷，难以获得准确的电磁参数，测试误差大。大部分文献只能测试微波薄膜材料的等效磁导率，并且部分测试方法所需样品的制作工艺复杂，很难适应微波薄膜材料电磁参数测试的现状要求。

发明内容

本发明的任务是提供一种适合宽频带内对微波薄膜材料电磁参数进行测试的带状线谐振器及相应的测试装置。

本发明详细技术方案为：

一种带状线谐振器，如图2、3所示，包括金属接地板4、内导体5、金属短路板6和耦合环7等四个部分，其特征是，所述两块相互平行的金属接地板4的两端分别与金属断路板6连接，内导体5处于两块金属接地板4的中间，其中一块金属接地板4与内导体5相连的上下方的适当位置具有两个耦合环7，以实现微波信号的输入和输出。

上述技术方案中，可以在无耦合环的金属断路板6上开三个分别与金属接地板4和内导体5横截面形状相匹配的孔，使得该无耦合环的金属断路板6可以沿内导体5的轴向移动，从而实现带状线谐振器2的谐振腔的长度连续可调。

微波薄膜材料电磁参数测试装置，如图1所示，包括微波信号源1、带状线谐振器2和标量网络分析仪3，微波信号源1所产生的微波信号输入带状线谐振器2，带状线谐振器2所产生的谐振频率输入标量网络分析仪3，其特征是，所述带状线谐振器2包括金属接地板4、内导体5、金属短路板6和耦合环7等四个部分，如图2、3所示，两块相互平行的金属接地板4的两端分别与金属断路板6连接，内导体5处于两块金属接地板4的中间，其中一块金属接地板4与内导体5相连的上下方的适当位置具有两个耦合环7，以实现微波信号的输入和输出。

上述技术方案中，可以在无耦合环的金属断路板6上开三个分别与金属接地板4和内导体5横截面形状相匹配的孔，使得该无耦合环的金属断路板6可以沿内导体5的轴向移动，从而实现带状线谐振器2的谐振腔的长度连续可调。

本发明装置的构成及其测试工作原理是：

带状线谐振器的结构原理：

为了进行微波薄膜材料电磁参数的宽频测试，对于所用带状线谐振器，应根据需要工作的频率范围以及所需测试的频率点数，合理设计谐振器的长度。带状线谐振器的结构示意图如图3所示。图中L是腔体的长度。

带状线谐振器的工作模式为准TEM波，谐振频率与腔体尺寸的关系见公式(1)。

$>>>f>0>>=>>cn>>2>L>>>ϵ>r>>>\mu >r>\; >>>->->->->>(>1>)>>>s>$

其中f₀是谐振器的空腔谐振频率，c是光速，n是谐振模式在腔体轴向的半波长数，ε_r为带状线谐振器内所填充介质的相对介电常数，μ_r为所填充介质的相对磁导率。

从公式(1)中可以得出，腔体谐振频率与腔体长度和所填充介质的相对介电常数和相对磁导率密切相关。当所填充的介质一定时，所设计的腔体长度需根据谐振器的工作频率范围设计。也可将谐振器做成长度做成连续可调的腔体，当腔体长度连续变化时，谐振器谐振频率连续变化，可完成被测薄膜样品电磁参数的扫频测试。谐振器长度的变化可通过短路板位置的改变来实现。

首先根据所需测试的频率范围，由公式(1)设计出带状线谐振器的腔体长度。

带状线谐振器微扰法测试微波薄膜材料电磁参数的原理

样品电磁参数的计算可采用以下两种方法。

方法1：

将被测薄膜样品放于谐振器的底部，如图4所示。其中(8)是被测薄膜样品，a、b分别是样品两个端面距离谐振器短路板的距离。在放入被测样品之前应先测量出空腔的谐振频率f₀和无载品质因数Q0。

当腔体加载被测薄膜样品后，测得加载样品后腔体的谐振频率f_0m和品质因数Q_0m。根据微波谐振腔微扰理论，可以得到

$>>>>>f>0>>->>f>>0>m>>>>>f>0>>>=>\Delta >>ϵ>r>>·>>C>1>>+>\Delta >>\mu >r>>·>>C>2>>->->->->>(>2>)>>>s>$

其中：

$>>>C>1>>=>>>b>->a>->>L>>2>n\pi >>>[>sin>>(>>>2>n\pi b>>L>>)>>->sin>>(>>>2>n\pi a>>L>>)>>]>>>2>L>>>->->->->>(>3>)>>>s>$

$>>>C>2>>=>>>b>->a>+>>L>>2>n\pi >>>[>sin>>(>>>2>n\pi b>>L>>)>>->sin>>(>>>2>n\pi a>>L>>)>>>>2>L>>>->->->->>(>4>)>>>s>$

Δε_r＝ε_rm-ε_r                        (5)

Δμ_r＝μ_rm-μ_r                        (6)

f_0m是谐振器加载样品后的谐振频率，ε_rm是被测薄膜样品的相对复介电常数的实部，μ_rm是被测薄膜样品的相对复磁导率的实部。

若将被测样品放于电场最强而磁场最弱的位置，则谐振频率和品质因数的改变量仅与材料电参数相关。可得到

$>>>ϵ>rm>>=>>ϵ>r>>+>>>>f>0>>->>f>>0>m>>>>>>f>0>>>C>1>>>>->->->->>(>7>)>>>s>$

$>>tan>>\delta >ϵ>>=>>1>>2>>ϵ>rm>>>C>1>>>>·>>(>>1>>Q>0>>>->>1>>Q>>0>m>>>>)>>->->->->>(>8>)>>>s>$

其中，tanδ_ε为被测薄膜样品电参数的损耗角正切。

若将被测样品放于磁场最强而电场最弱的位置，则谐振频率和品质因数的改变量仅与材料磁参数相关。可得到

$>>>\mu >rm>>=>>\mu >r>>+>>>>f>0>>->>f>>0>m>>>>>>f>0>>>C>2>>>>->->->->>(>9>)>>>s>$

$>>tan>>\delta >\mu >>=>>1>>2>>\mu >rm>>>C>1>>>>·>>(>>1>>Q>0>>>->>1>>Q>>0>m>>>>)>>->->->->>(>10>)>>>s>$

其中，tanδ_ε为被测薄膜样品磁参数的损耗角正切。

分别将样品放置于电场最强而磁场最弱和磁场最强而电场最弱的位置，通过加载样品前后谐振器的谐振频率和无载品质因数的测量，根据公式(2)～(10)可以计算得到微波薄膜材料的电磁参数。

方法2：

也可通过改变被测薄膜样品在谐振器中的位置，例如将样品移动后，样品两个端面距离短路板的距离分别为c、d。

当腔体加载被测薄膜样品后，测得加载样品后腔体的谐振频率f_0m1和品质因数Q_0m1。根据微波谐振腔微扰理论，可以得到

$>>>>>f>0>>->>f>>0>m>1>>>>>f>0>>>=>\Delta >>ϵ>r>>·>>C>3>>+>\Delta >>\mu >r>>·>>C>4>>->->->->>(>11>)>>>s>$

其中：

$>>>C>3>>=>>>d>->c>->>L>>2>n\pi >>>[>sin>>(>>>2>n\pi d>>L>>)>>->sin>>(>>>2>n\pi c>>L>>)>>]>>>2>L>>>->->->->>(>12>)>>>s>$

$>>>C>4>>=>>>d>->c>+>>L>>2>n\pi >>>[>sin>>(>>>2>n\pi d>>L>>)>>->sin>>(>>>2>n\pi c>>L>>)>>]>>>2>L>>>->->->->>(>13>)>>>s>$

联立求解(2)式和(11)式，可同时求出Δε_r和Δμ_r的值，从而求出ε_rm和μ_rm的值。

需要说明的是，本发明适合各个频段微波薄膜材料电磁参数的宽频测试，即本发明可以在不同频段对各种微波薄膜材料进行电磁参数的宽频测试。

本发明的有益效果是：

提出一种适合宽频工作的带状线谐振器，利用加载样品前后谐振器的谐振频率和无载品质因数的变化，可完成微波薄膜材料电磁参数的宽频测试。该带状线谐振器具有工作频率宽、体积小、使用方便、测试误差小等优点。在本发明所提出的带状线谐振器的基础上提出一种微波薄膜材料电磁参数测试装置，能够在各个微波频段范围内对微波薄膜材料电磁参数进行测试。

附图说明

图1是本发明所述的微波薄膜材料电磁参数测试装置结构示意图，其中1是微波信号源，2是带状线谐振器，3是标量网络分析仪。

图2是本发明所述的一种带状线谐振器纵向截面示意图，其中4是金属接地板，5是内导体，6是金属短路板，7是耦合环。

图3是本发明所述的一种带状线谐振器横向截面示意图，其中4是金属接地板，5是内导体。

图4是本发明所述的腔体长度为L的带状线谐振器结构示意图。

图5是加载薄膜样品后的带状线谐振器示意图，其中，8是被测样品。

图6是薄膜样品移动位置后的带状线谐振器示意图。

具体实施方式

带状线谐振器的工作模式为准TEM_00n模，谐振器长度为250mm，填充介质为空气。当工作模式为准TEM₀₀₁时，谐振频率为0.6GHz，模式为准TEM₀₀₁₀时，谐振频率为6.0GHz。频率范围为0.6～6.0GHz。

本发明实施方式带状线谐振器的其它部分与发明内容中相同，在此不再赘述。

本发明实施方式测试装置的其它部分与发明内容中相同，在此不再赘述。