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专利名称：一种用脊波导进行电磁介质电磁参数变温测试的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，特别涉及微波电磁介质的复介电常数和复磁导率的测试技术领域。
关于微波电磁介质电磁参数变温测试的方法，目前主要采用网络参数法。网络参数法的工作原理是将样品及其传感器视为单口或双口网络，利用时域法、传输/反射法、多厚度法、多态法、自由空间法，通过测量该网络参数——散射参数或复反射系数，据此计算出介质材料的电磁参数。
目前，美国Agilent公司的测试软件87051C采用网络参数法测试材料的电磁参数，我国也研制了相应的测试系统和软件。对电磁参数的变温测试中，文献“D.Lemaire，D.Cros，H.Jallageas，P.Guillon，“Material characterisation from-160℃ up to 800℃ in centimeter and millimeter wavelength frequencyband”，Conference on Preci sion Electromagnetic Measurements，Jun 17-201996，Sponsored by IEEE p 72-73 0589-1485 In English”，它是采用自由空间法，自由空间法的测试系统框图如

图1所示。它的工作原理是利用喇叭天线1和点聚焦透镜2，将电磁波聚焦在被测介质3处，即两天线的共焦面处，测试得介质的散射参数，由这些散射参数计算得到被测材料的电磁参数。但是，用此法进行变温测试时，对暗室环境的要求高，加热功率大，测试准确度低。
文献“A.P.Gregory，S.Etzel，R.N.Clarke，《Precise measurements ondielectric reference liquids over the temperature range(5-50)℃ usingcoaxial line methods》，Precision Electromagnetic Measurements Digest，2000 Conference on，2000”采用的是同轴测试方法，它是用同轴线作传输线。它的工作原理是将被测材料填充在同轴线内，用矢量网络分析仪测试得此段测试样品的散射参数，由这些散射参数计算得到被测材料的电磁参数。同轴线截面图如图2所示，但是，由于同轴线的内导体5需要介质支撑，普通的支撑介质不耐高温，而且它还要求内导体5、外导体4同心，因此，制作可用于高温环境下工作的校准件、传输线和测试样品非常困难，即该方法不适于高温环境下工作。
由电子科技大学研制的“X波段吸波变温测试系统”，它由矢量网络分析仪6、两个同轴到矩形波导的转换接头7、两个散热矩形波导8、两个隔热矩形波导9、矩形波导加热座10、矩形波导被测件11、矩形波导测温座12、温度控制系统13组成。其测试系统框图如图3所示。该系统的工作原理是先用可用于高温的TRL校准件在被测件6处进行变温校准，然后接入测试样品，测得不同温度下样品的散射参数，通过计算就可以得到材料的电磁参数。该系统的特点是采用矩形波导，其截面图如图4所示，矩形波导与同轴相比不存在介质支撑问题和内外导体同心问题，易实现可用于高温的校准件、传输线和测试样品，但由于矩形波导单模工作频带窄，因此该系统测试频带窄，而且用于低频段测试时，体积大，被测样品不易制作。
据本发明人所知，现有的电磁介质电磁参数的变温测试不能兼顾以下要求(1)易制作可用于高温的测试样品、传输线与校准件；(2)宽的测试频率范围；(3)不需要暗室环境；(4)适中的加热功率。
本发明的组成包括矢量网络分析仪(6)，温度控制系统(13)、TRL校准件，其特征是它还包括脊形波导传输系统。所述的脊形波导传输系统是由两个同轴到脊波导的转换接头14、两个散热脊形波导15、两个隔热脊波导16、脊波导加热座17、脊波导被测件18、脊波导测温座19和温度控制系统13组成。矢量网络分析仪6和同轴到脊波导的转换接头14之间按同轴线连接方式连接；同轴到脊波导的转换接头14与散热脊形波导15、散热脊形波导15与隔热脊波导16、隔热脊波导16与脊波导加热座17、脊波导加热座17与脊波导被测件18、脊波导被测件18与脊波导测温座19、脊波导测温座19与隔热脊波导16、隔热脊波导16与散热脊波导15、散热脊波导15与同轴到脊波导的转换接头14之间，均是利用脊波导壁上的定位销钉孔定位后，用螺钉紧固。如图6所示。
本发明的实质是采用脊波导替带现有技术“X波段吸波变温测试系统”中的矩形波导，采用网络参数法，利用脊波导具有的频带宽、易于制作在高温环境下工作的校准件、传输线和测试样品的特点，设计宽频带的适用于高温测试的脊波导传输系统、校准件和温度控制系统组建测试装置，对电磁介质电磁参数进行变温测试。
本发明装置的构成及其测试工作原理是第一步，制作脊波导传输系统和校准件为了保护测试仪器，并使测试样品能到达要求的温度，需要散热脊波导15和隔热脊波导16。本发明根据测试需要，采用直接加热和测温的方法进行温度控制，需要由脊波导制作的加热座17和测温座19。首先设计宽频带的适用于高温测试的脊波导传输系统。此脊波导传输系统包括同轴到脊波导的转换接头14、散热脊形波导15、隔热脊形波导16、脊波导的加热座17和脊波导的测温座19。在保证样品测试区可以达到所需的温度点的同时，散热区外的温度仍为室温。本测试方法采用现有的TRL校准技术进行校准，按照现有的TRL校准技术对校准件的要求和温度要求，选用相应的材料制作能用于高温的脊波导TRL校准件。目前已有常温下的脊波导TRL校准件。温度控制系统13的制作方法与“X波段吸波变温测试系统”中的温度控制系统13相同。
第二步，被测样品的变温测试将被测材料制作成内置于脊波导中的样品，即被测件18。利用第一步完成的由脊波导传输系统、校准件和温度控制系统组成本发明的测试装置，如图6所示。利用温度控制系统13通过加热座17进行加热、通过测温度座进行测温，用数字PID控制进行温度控制。微波信号由矢量网络分析仪6产生；经过同轴到脊波导的转换接头14、散热脊波导15、隔热脊波导16、脊波导加热座17；进入被测件18，经反射和透射后；反射信号经过脊波导加热座17、隔热脊波导16、散热脊波导15、同轴到脊波导的转换接头14，矢量网络分析仪6接收反射信号；透射信号经过脊波导测温座19、隔热脊波导16、散热脊波导15、同轴到脊波导的转换接头14，矢量网络分析仪6接收透射信号，如图7所示。用能够用于高温的脊波导TRL校准件替换被测件18，对测试系统在不同温度下校准后，被测件18换为被测样品，测得其在不同温度点的散射参数。
第三步，样品电磁参数的计算根据现有网络参数法中常用的传输/反射法测试原理，进行电磁参数的计算。在传输线内填充介质后，其物理模型如附图7所示。填充介质的传输线作为一段网络的散射参数S11(ω)、S21(ω)，有方程Γ=k±k2-1---(1)]]>T={S11(ω)+S21(ω)}-Γ1-{S11(ω)+S21(ω)}Γ---(2)]]>其中k={S112(ω)-S212(ω)}+12S11(ω)---(3)]]>Γ为当测试样品18为无限长时输入界面处的复数反射系数，T为电磁波通过厚度d为有限的测试样品18的复数传输系数，ω为微波信号的角频率。
由式(2)和测试样品厚度d，按式(4)确定Λ1Λ2=-[12πdln(1T)]2---(4)]]>最后可得μr=1+ΓΛ(1-Γ)1λ02-1λc2---(5)]]>ϵr=(1Λ2+1λc)λ02μr---(6)]]>式中εr为待测材料的复介电常数，μr为待测材料的复导磁率，λc为传输线的截止波长，λ0为自由空间波长。根据第二步，将在不同温度下测得的填充介质传输线的散射参数S11(ω)、S21(ω)、脊波导的截止波长λc和试样厚度d，代入(1)～(6)式，即可得到被测材料的电磁参数的变温测试结果。
需要说明的是，本发明适合各种电磁介质电磁参数的变温测试，即本发明可以在不同温度对各种电磁介质进行电磁参数测试。它既适用于高温测试，也适用于室温测试。若把将发明装置密封，放于低温环境中，可以进行电磁介质电磁参数的低温测试。
综上所述，本发明的创新是制作脊波导测试系统和脊波导的TRL校准件以及温度控制系统，组成变温测试系统。将被测材料制作成内置于脊波导中的样品，完成宽频带内电磁介质电磁参数的变温测试。
本发明的特点本发明利用脊波导制作能够用于高温测试的、具备加热和测温功能的隔热散热传输系统；利用TRL校准法进行测试系统的变温校准。由于本发明采用了脊波导传输线，它既保证了有较宽的测试频率，又兼顾了校准件、测试样品和传输线便于制作的特点。脊波导的截面图如图5所示，与矩形波导相比，模工作频带加宽；与同轴相比，脊波导不存在介质支撑问题和内外导体同心问题，便于制作能用于高温(特别涉及高于250℃)的校准件和测试样品；并且采用脊波导与自由空间法相比不需要暗室，加热功率适中。
本发明适合各种电磁介质的电磁参数的变温测试和室温测试。微波电磁介质的宽频带、变温测试数据，对于更加准确地应用电磁介质具有重要的意义，为材料电磁特性研究提供了宝贵数据。
其中，4是同轴线外导体，5是同轴线内导体；图3矩形波导变温测试示意图其中，6是矢量网络分析仪、7是同轴到矩形波导的转换接头、8是散热矩形波导、9是隔热矩形波导、10是矩形波导加热座、11是矩形波导被测件、12是矩形波导测温座、13是温度控制系统；图4矩形波导传输线横截面5脊波导传输线横截面6脊波导变温测试系统图其中，6是矢量网络分析仪、14是同轴到脊波导的转换接头、15是散热脊形波导、16是隔热脊波导、17是脊波导加热座、18是脊波导被测件、19是脊波导测温座、13是温度控制系统；图7传输/反射法测量电磁参数原理图其中，18是被测样品，d是被测样品的厚度，L＝0、L＝d分别是被测样品的两个端面，ZO是输线的特性阻抗，ZS是试样品的特性阻抗，V1、I1分别是入射信号的电压电流，V2、I2分别是试样品内信号的电压电流，V3、I3分别是透射信号的电压电流，VJO是反射信号的电压。
微波信号由输入端进入，到测试样品L＝0处，经过样品来回反射和透射后，反射信号返回到输入端，透射信号进入输出端，由矢量网络分析仪6检测反射信号和透射信号，就可以得到样品的散射参数[S]，它包括S11(ω)、S21(ω)，由式(1)～(6)就可以计算得到材料的电磁参数。
本实施例装置通过将测试系统分成2～4.8GHz、4.8～18GHz两段，按照下面的方法分别制作两个测试系统(2～4.8GHz和4.8～18GHz)先按照发明方案第一步设计宽频带的适用于高温测试的脊波导传输系统，采用现有的TRL校准技术进行校准，按照对校准件的要求，根据室温～300℃的温度要求选用低膨胀合金4J36制作能用于该温度范围的脊波导传输系统和TRL校准件；然后组装两个测试系统(2～4.8GHz和4.8～18GHz)，进行变温TRL校准，把被测样品置入测试系统中，对被测样品散射参数进行变温测试；最后，按照上面第三步所述的方法计算，就可以得到在不同温度下被测样品的电磁参数。
权利要求
1.一种用脊波导进行电磁介质电磁参数变温测试的装置，它包括矢量网络分析仪(6)，温度控制系统(13)、TRL校准件，其特征是它还包括脊形波导传输系统。
2.根据权利要求1所述的一种用脊波导进行电磁介质电磁参数变温测试的装置，其特征是所述的脊形波导传输系统是由两个同轴到脊波导的转换接头(14)、两个散热脊形波导(15)、两个隔热脊波导(16)、脊波导加热座(17)、脊波导被测件(18)、脊波导测温座(19)组成；同轴到脊波导的转换接头(14)和矢量网络分析仪(6)之间按同轴线连接方式连接；同轴到脊波导的转换接头(14)、散热脊形波导(15)、隔热脊波导(16)、脊波导加热座(17)、脊波导被测件(18)、脊波导测温座(19)、以及脊波导测温座(19)与隔热脊波导(16)之间的连接方式，均是利用脊波导壁上的定位销钉孔定位后，用螺钉紧固。
全文摘要
本发明公开了一种用脊波导进行电磁介质电磁参数变温测试的装置，它是由矢量网络分析仪6、温度控制系统13、TRL校准件和脊形波导传输系统组成。所述的脊形波导传输系统是由两个同轴到脊波导的转换接头14、两个散热脊形波导15、两个隔热脊波导16、脊波导加热座17、脊波导被测件18、脊波导测温座19组成。由于本发明采用脊波导作为传输线，既保证了有较宽的测试频率，又兼顾了校准件、测试样品和传输线便于制作的特点。它特别适用在不同温度、宽频带内测量电磁介质的电磁参数。
文档编号G01N27/72GK1448726SQ02113559
公开日2003年10月15日 申请日期2002年4月4日 优先权日2002年4月4日
发明者李恩, 张其劭, 郭高凤 申请人:电子科技大学