固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统

摘要

本发明公开了一种固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统，以传输反射法为基础，在变温条件下对固体及粉末材料的复介电常数进行测试。在具体的测试时，通过设计测试夹具和与之配套的Thru、Reflect、Line校准件，结合温度控制仪、温度传感器以及加热棒使用，完成了固体及粉末在宽频段变温条件下复介电常数的测试。

说明书

技术领域

本发明属于微波技术领域，更为具体地讲，涉及一种固体及粉末材料的宽 频带变温介电常数测试系统。

背景技术

电路和电子元器件是现代电子信息系统的重要组成部分，电介质材料是微 波元器件中不可缺少的一种材料，其中表征电磁特性的一个重要参数——介电 常数在设计微波元器件中起到至关重要的作用。另外，电路和电子元器件的特 性参数会随着介电常数的变化而变化，而介电常数随频率和温度的变化也会变 化。因此，在宽频段变温条件下了解介电常数随频率和温度变化的规律有着重 要的意义。

对于电介质材料的测量方法目前主要有谐振法和网络参数法。谐振法是通 过测量加载热样品前后谐振频率和品质因素的变化来计算复介电常数，但不适 合宽频段测量；网络参数法包括自由空间法、同轴探针法、多厚度和多状态法、 传输反射法。其原理是将测量夹具和待测样品等效为一个单端口或多端口网络， 通过测量样品的反射系数和传输系数，从而利用它们与介电常数的关系反演出 复介电常数。其中，自由空间法不适合粉末材料的测量；同轴探针法对样品材 料要求高，需要被测样品光滑平整，且探针与被测材料要紧密接触；多厚度和 多状态法测试准确度低；传输反射法中利用矩形波导时需要分频段测量，更换 波导后又要进行校准，操作比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种固体及粉末材料的宽频 带变温介电常数测试系统，利用同轴传输反射法对被测材料进行介电常数测试， 具有操作简便、校准容易等特点，同时还适合粉末材料复介电常数测量的优势。

为实现上述发明目的，本发明固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试 系统，其特征在于包括：

一被测固体或粉末材料，将被测固体材料加工成内圆通孔直径为A，外圆 环直径为B，长度为L1的环形状；或者取适量被测粉末材料填充到测试夹具；

多个聚四氟乙烯介质，分别加工成环形状，其内圆通孔直径均为A，外圆 环直径均为B，长度分别为L2、L2’，且一端留有外圆直径为D1，高H1的阶梯， 并分别标记为介质1和介质2；

三同轴测量器，每个同轴测量器均参考N型射频同轴连接器，均加工成直 径为B的圆通孔，加工长度分别为：L3、L3’、L3”，并分别标记为测试夹具、 Thru校准件和Line校准件；

将每个同轴测量器的连接头加工成N型外螺纹，在圆通孔一侧开一个与圆 通孔平行的圆孔，用于安装加热棒，圆孔的大小根据加热棒大小设计，但不能 破坏圆通孔的结构；

在圆通孔的另一侧，开两个垂直于圆通孔的圆孔，用于安装温度传感器和 接地，其中，安装温度传感器的圆孔的圆心位于圆通孔另一侧正中心，且孔底 与圆通孔的圆心距离为B/2+W，W为安置调整距离；接地孔安装螺钉型号加工， 具体位置可调，但不能破坏同轴测量器的结构；

多个连接头，将连接同轴测量器的接头均加工成长为L7的N型阴头形状， 在每个接头内部开槽，开槽直径为D1，高H1；

五个圆柱内导体，其加工长度分别为L4、L4’、L4”、L5、L5，加工直径 均为A；将长度为L5的圆柱内导体一端加工成圆锥、圆柱阶梯状，剩余三个圆 柱内导体的两端处均加工成圆锥、圆柱阶梯状，其中，圆锥高度为H2，圆柱直 径均为C，高H3；长度为L4、L4’、L4”圆柱内导体分别标记为内导体1～内导 体3，长度为L5的圆柱内导体标记为内导体4；

一Reflect校准件，参考N型射频同轴连接器，加工长度为L6，在长度方 向的两端开直径为B的内圆孔，内圆孔不连通，在内圆孔的不连通处，各自开 一直径为A，深度为L9的小孔，且仍保证两端互不连通，两端内圆孔的深度均 能够容纳内导体4和介质2；

在Reflect校准件上，按照同轴测量器所述的方法，开三个圆孔，分别用于 安装加热棒、温度传感器和接地；

多个圆环卡槽，加工长度为L8，直径R，以圆环卡槽的中轴线为圆心，两 端加工成圆、圆柱组合状的小孔，其中，圆锥孔高为H2，圆柱孔直径为C，圆 柱孔高分别为H4、H5，并在长孔一端参考N型阴头开四条缝隙；

在内导体1一端插入介质2，然后再整体放入测试夹具，再从测试夹具的另 一端依次放入被测固体或粉末材料，以及介质2，两端均插入圆环卡槽，再各自 加上连接头，测试夹具组装完毕；

在内导体2一端插入介质2，然后再整体放入Thru校准件，再从Thru校准 件另一端放入介质2，两端均插入圆环卡槽，再各自加上连接头，Thru校准件 组装完毕；

在内导体3一端插入介质1，然后再整体放入Line校准件，再从Line校准 件的另一端放入介质1，两端均插入圆环卡槽，再各自加上连接头，Line校准件 组装完毕；

将两根内导体4从Reflect校准件两端插入，再分别插入介质2和圆环卡槽， 并各自加上连接头，Reflect校准件组装完毕；

将组装好的测试夹具、Thru、Line、Reflect分别接入加热棒、温度传感器、 接地线，并外接温度控制仪，再放入到保温装置中，利用隔热同轴传输线将测 试夹具、Thru、Line、Reflect依次连接到矢量网络分析仪，使用矢量网络分析仪 产生的微波扫频信号，在相同温度和环境条件下分别对测试夹具、Thru、Line、 Reflect校准件进行S参数测量，将测得的四组S参数一起输入到计算机，利用 MATLAB编程计算出所测材料的复介电常数。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统，以传输反射法为 基础，在变温条件下对固体及粉末材料的复介电常数进行测试。在具体的测试 时，通过设计测试夹具和与之配套的Thru、Reflect、Line校准件，结合温度控 制仪、温度传感器以及加热棒使用，完成了固体及粉末在宽频段变温条件下复 介电常数的测试。

本发明固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统还具有以下有益效 果：

(1)、本发明能在频率1～18GHz，室温～200摄氏度对介质材料进行复介电 常数测试；

(2)、本发明通过设计特制的聚四氟乙烯圆环垫片(介质1、2)，并参考 N型头设计与之配套带有卡槽的连接头，能够很好的固定被测材料，解决了传 统对被测材料放置困难的问题，特别是对粉末材料的测量，提高了测试精度；

(3)、本发明中各校准件采用N型螺纹设计，方便与射频接头连接，一次 连接就可以完成测量，不像矩形波导要分频段，而且在低频段矩形波导尺寸大， 操作繁琐；

(4)、本发明具有操作简便、校准容易等特点。

附图说明

图1是被测固体的加工结构图；

图2是聚四氟乙烯介质的加工结构图；

图3是测试夹具的加工结构图；

图4是连接头的加工结构图；

图5是内导体的加工结构图；

图6是Reflect校准件的加工结构图；

图7是圆环卡槽的加工结构图；

图8是测试夹具、Thru校准件及Line校准件的组装图；

图9是Reflect校准件的组装图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更 好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设 计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，本发明所设计的测试系统都是按照射频50欧姆阻抗匹配设 计，减小反射，与微波测量系统配套使用，具有良好的匹配性。其次，在本实 施例中，本发明所设计的测试系统的连接头均参考N型射频同轴连接器，其中 间需放置加热棒和温度传感器的部分大小为HxH，具体尺寸可以根据加热棒和 温度传感器调整。下面对具体的设计进行详细说明：

本发明固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统，包括：

被测固体材料，如图1所示，加工成内圆通孔直径为A＝2mm，外圆环直径 为B＝7mm，长度为L1＝10mm的环形状；

被测粉末材料不要加工，但需要先根据测试夹具的体积和被测粉末材料的 密度，计算出需要填充到测试夹具中的被测粉末材料质量，再利用电子秤称量 即可；

多个聚四氟乙烯介质，如图2所示，分别加工成环形状，其内圆通孔直径 均为A＝2mm，外圆环直径均为B＝7mm，长度分别为L2＝42.5mm、L2’＝37.5mm， 且一端留有外圆直径为D1＝7.8mm，高H1＝2.5mm的阶梯，并分别标记为介质1 和介质2；

在本实施例中，介质1用于Line校准件，介质2用于Thru、Reflect校准件 和测试夹具，由于介质1、2结构一样，只是长度不同，故本实施例中仅给出了 介质1示意图。

同轴测量器，每个同轴测量器均参考N型射频同轴连接器，均加工成直径 为B＝7mm的圆通孔，加工长度分别为：L3＝80mm、L3’＝70mm、L3”＝75mm， 并分别标记为测试夹具、Thru校准件和Line校准件；由于同轴测量器的结构一 样，只是长度不同，本实施例中给出了测试夹具的结构图，如图3所示。

将每个同轴测量器的连接头加工成N型外螺纹，在圆通孔一侧开一个与圆 通孔平行的圆孔，用于安装加热棒，圆孔的大小根据加热棒大小设计，但不能 破坏圆通孔的结构；

在圆通孔的另一侧，开两个垂直于圆通孔的圆孔，用于安装温度传感器和 接地，其中，安装温度传感器的圆孔的圆心位于圆通孔另一侧正中心，且孔底 与圆通孔的圆心距离为B/2+W，W为安置调整距离，但不能破坏同轴测量器结 构；接地孔安装螺钉型号加工，具体位置可调，但不能破坏同轴测量器的结构；

多个连接头，如图4所示，将连接同轴测量器的接头均加工成长为L7＝26mm 的N型阴头形状，在每个接头内部开槽，开槽直径为D1＝7.8mm，高H1＝2.5mm；

五个圆柱内导体，其加工长度分别为L4＝90.2mm、L4’＝80.2mm、 L4”＝85.2mm、L5＝42.1mm、L5＝42.1mm，加工直径均为A＝2mm；如图5(a) 所示，将长度为L5＝42.1mm的圆柱内导体一端加工成圆锥、圆柱阶梯状，如图 5(b)所示，将剩余三个圆柱内导体的两端处均加工成圆锥、圆柱阶梯状，其 中，圆锥高度为H2＝1mm，圆柱直径均为C＝1.64mm，高H3＝1.6mm；长度为 L4、L4’、L4”圆柱内导体分别标记为内导体1～内导体3，长度为L5的圆柱内导 体标记为内导体4；

Reflect校准件，如图6所示，参考N型射频同轴连接器，加工长度为 L6＝80mm，在长度方向的两端开直径为B＝7mm的内圆孔，内圆孔不连通，在 内圆孔的不连通处，各自开一直径为A＝2mm，深度为L9＝2mm的小孔，且仍保 证两端互不连通，两端内圆孔的深度均能够容纳内导体4和介质2；

在Reflect校准件上，按照同轴测量器所述的方法，开三个圆孔，分别用于 安装加热棒、温度传感器和接地；

多个圆环卡槽，如图7所示，加工长度为L8＝10.5mm，直径R＝3mm，以圆 环卡槽的中轴线为圆心，两端加工成圆锥、圆柱组合状的小孔，其中，圆锥孔 高为H2＝1mm，圆柱孔直径为C＝1.64mm，圆柱孔高分别为H4＝2mm、H5＝5mm， 并在长孔一端参考N型阴头开四条缝隙；其中，N型阴头开四条缝隙是公知常 识，每个加工厂家均默认，在此不再赘述；

下面对上述部件进行组装，测试夹具、Thru校准件及Line校准件的外形结 果相似，其组装图统一为图8所示；

在内导体1一端插入介质2，然后再整体放入测试夹具，再从测试夹具的另 一端依次放入被测固体或粉末材料，以及介质2，两端均插入圆环卡槽，再各自 加上连接头，测试夹具组装完毕；

在内导体2一端插入介质2，然后再整体放入Thru校准件，再从Thru校准 件另一端放入介质2，两端均插入圆环卡槽，再各自加上连接头，Thru校准件 组装完毕；

在内导体3一端插入介质1，然后再整体放入Line校准件，再从Line校准 件的另一端放入介质1，两端均插入圆环卡槽，再各自加上连接头，Line校准件 组装完毕；

如图9所示，将两根内导体4从Reflect校准件两端插入，再分别插入介质 2和圆环卡槽，并各自加上连接头，Reflect校准件组装完毕；

将组装好的测试夹具、Thru、Line、Reflect分别接入加热棒、温度传感器、 接地线、温度控制仪，放入保温装置中；其中，温度控制仪是一个有可以接多 个引脚的完整外部仪器，加热棒和温度传感器都是带引线的，根据说明书可以 将温度控制仪与加热棒、温度传感器连接，当温度控制仪通电后，可以实现加 热和测温；在本实施例中，如图10所示，保温装置是采用绝热材料制作而成的 封闭腔体，腔体的大小可以调整，并在两端留有两个孔，使测试夹具及校准件 放进去后便于与隔热同轴传输线连接，这样不仅能把高温区中的测试夹具及各 种校准件与外界隔离开来，还能确保加热效率，并保护测试人员和其他设备。

利用隔热同轴传输线将测试夹具、Thru、Line、Reflect依次连接到矢量网络 分析仪，使用矢量网络分析仪产生的微波扫频信号，在相同温度和环境条件下 分别对测试夹具、Thru、Line、Reflect校准件进行S参数测量，将测得的四组S 参数一起输入到计算机，利用MATLAB编程计算出所测材料的复介电常数。

在本实施例中，隔热同轴传输线是一根N型阴头的同轴传输线，设计的测 试夹具和Thru、Reflect、Line校准件组装好后都是N型阴头，在连接时按照接 头类型选取射频连接头进行连接(有N型阴-阴接头，有N型阳-阴接头，有N 型阳-阳接头，这些都是标准)；比如测试夹具与隔热同轴传输线接头类型都是阴 头，连接时就需要一个N型阳-阳接头。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。