薄板型介质材料复介电常数的无损测量

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)国防科学技术大学 作者:程国新

  采用带法兰结构的TE01n圆柱谐振腔,用无损检测的方法测量薄板型微波介质材料的复介电常数。利用轴向模式匹配法对谐振腔内的电磁场进行了求解,给出了相对介电常数和损耗角正切的计算公式,并利用矢量网络分析仪对几种常用微波介质材料进行了测量,其结果表明: 该测量方法对相对介电常数的测量误差不超过1%,而对损耗角正切的测量误差不超过10%。该方法还具备一腔多模的测试能力,测量频率可调,可用于介质材料频率特性的测量。

  在微波波段测量介质材料复介电常数的方法主要有两大类,即: 传输/反射法和谐振法。其中大部分的谐振法和传输/反射法均需备特定形状的样品,属于有损测量。自由空间法是传输/反射法中的一种,它是一种无损测量方法,但其需要代价高昂的能实现高斯微波束聚焦的天线测量系统,另外,其测量精度低,一般只适用于具有中高损耗介质材料的测量。对于低损耗介质材料的无损测量,通常采用的测试结构为分立式谐振腔和分立式介质柱谐振器。在这两种方法中,待测样品均被夹持于上下对称的两谐振腔之间,谐振腔的对准是影响系统测量精度的一个重要因素。为保证测量的精度,一般须增加额外的定位装置以调整上下腔体的同轴关系,这增加了系统的复杂性和测试的难度。为避免该问题,同时为实现对低损耗不可加工介质材料的无损测量,本文在分立式谐振腔的基础上,提出并设计了一种可用于测量具有一定厚度平板类介质样品的改进型TE01n谐振腔。

1、模型与理论分析

  图1 为用于介质材料无损测量圆柱谐振腔的结构示意图。相对介电常数为εd、损耗角正切为tanδ 的介质样品夹持于金属短路板和带法兰结构金属圆波导之间。谐振腔的半径为R,长度为L。当介质样品的厚度h 小于样品内传播波长λd的一半时,金属短路板和圆波导法兰之间的电磁场将处于截止状态。此时,只要金属法兰外半径R1足够大,电磁场将难以泄露,谐振腔内将建立起微波谐振模式,边界r = R1也可假设为理想电壁面。由此,可采用轴向模式匹配法对谐振腔内的电磁场进行严格求解。根据系统轴向不连续性,谐振腔可划分为如图1所示的区域Ⅰ和区域Ⅱ,区域Ⅰ为空气区( | r |≤R,0≤z≤L) ,而区域Ⅱ为介质区( | r |≤R1,-h≤z≤0) 。

介质材料介电常数无损测量原理图

图1 介质材料介电常数无损测量原理图

结论

  为实现对薄板型固体电介质材料复介电常数的无损测量,本文在传统TE01n圆柱谐振腔的基础上,提出了一种带法兰结构的改进型TE01n圆柱谐振腔。利用轴向模式匹配法对谐振腔内的电磁场进行了求解,给出了相对介电常数和损耗角正切的计算公式,最后,针对PTFE,HDPE 和陶瓷材料的复介电常数进行了测量,并用介质柱谐振器进行了验证,结果表明: 该方法对相对介电常数的测量具有很高精度,其相对误差不超过1%;而对于损耗角正切,其测量误差可控制在10%以内。该方法有效地避免了分立式谐振器或谐振腔结构上的对准问题,其测量简便行。同时,它具备一腔多模的测试能力,谐振频率可调。它的应用对于高功率微波领域介质材料的测试具有实际意义。

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