一种具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置及方法
本发明属于微波测试，具体涉及一种具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置及方法。
背景技术：
1、复介电常数(包括介电常数和损耗角正切)是表征材料介电性能最重要的基础参数，其准确测量对电介质材料的研发和应用至关重要。圆柱腔谐振法是用于材料复介电常数测试的常用方法，具有测试稳定、精度高等优点。然而，圆柱腔谐振法受限于谐振状态建立及材料加载后对腔内场扰动要求，通常仅用于对中、低损耗材料进行测试。
2、目前，基于圆柱腔谐振法对中、低损耗材料复介电常数进行测试已较为成熟。在公告号为cn 104360172b的专利“贫氧环境复介电常数高温测试系统及测试方法”中，提出了一种具有杂模抑制结构的tm0n0模圆柱腔，基于微扰法实现对圆柱材料复介电常数进行测试；在公告号为cn 113655287a的专利“平面介质介电常数宽频带测试结构及其测试方法”中，提出了具有径向开缝的tm0n0模圆柱腔，基于微扰法实现对矩形片状材料复介电常数进行测试；在文献《圆柱腔复介电常数高温测试系统》中，研制了tm010模圆柱腔并基于精确场解法实现了低损耗材料介电性能变温测试；在文献《an accurate radially stratifiedapproach for det ermining the complex permittivity of liquids in acylindrical microwave cavity》中，提出了基于tm0n0模圆柱腔的材料复介电常数测试方法，对环己烷、正丁醇等中、低损耗液体进行了测试。
3、上述对中、低损耗材料进行测试时，tm0n0模圆柱腔均要求待测样品置于圆柱腔中心，而tm0n0模式在圆柱腔中心具有最大电场强度，若在该位置加载高损耗样品，除非减小样品横向尺寸，否则会导致圆柱腔tm0n0模式无法起振从而无法进行复介电常数测试。但减小样品横向尺寸会给样品加工带来很大困难，即需要很细的样品才能满足测试要求，这限制了圆柱腔谐振法对高损耗材料复介电常数测试的能力。
4、因此，如何设计加载样品的方式，使得基于tm0n0模圆柱腔能够同时适用于高、中、低损耗材料，实现对宽损耗材料的复介电常数的测试，就成为研究重点。
技术实现思路
1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置及方法。该装置通过在圆柱腔的顶部端面中心和径向方向上设置中心孔及多个偏心孔，将待测样品加载于圆柱腔中心孔处或偏心孔处，使得圆柱腔内tm0n0模式能够起振，从而实现对待测样品的介电常数的测量；同时建立了待测样品放置于偏心孔时的微扰算法，使得同一圆柱腔能够同时满足高、中、低损耗材料复介电常数测试需求。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
3、一种具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置，包括圆柱腔、若干个堵孔座和一个样品座，所述样品座与堵孔座结构相似，仅中心设置样品通孔，用于放置待测样品；所述圆柱腔的上端面中心处设置一个中心通孔，同一径向方向上设置若干个偏心通孔；所述堵孔座和样品座用于放置于中心通孔或偏心通孔内，堵孔座和样品座的下底面与圆柱腔的上端面的底部齐平，且尺寸与中心通孔、偏心通孔的尺寸相适应，使得堵孔座、样品座放置于圆柱腔上后，圆柱腔形成完整、封闭腔体。
4、进一步地，所述中心通孔和偏心通孔的截面为规则形状，如矩形、圆形等，优选为圆形。
5、进一步地，堵孔座和样品座由两个同心圆柱构成，整体呈“t”型；当堵孔座和样品座放置于中心通孔或偏心通孔内时，第一圆柱裸露在圆柱腔上端面之外，第二圆柱放置于中心通孔或偏心通孔内，且第二圆柱的高度与圆柱腔上端面的厚度相同。
6、进一步地，偏心通孔的位置应使得其轴线处电场强度沿径向等比例递减，即从圆柱腔上端面中心处沿径向向外数的第m个偏心通孔处轴线与圆柱腔轴线的距离rm由下式计算：
7、
8、其中，j0为0阶贝塞尔函数，u01为j0的第一个根，r为圆柱腔半径，n为偏心通孔的个数，m＝1,2,…,n。
9、进一步地，偏心通孔的个数n优选为2或3。
10、进一步地，为了防止能量从圆柱腔内辐射到腔外，若样品通孔的截面为圆形，则其半径应小于圆柱腔工作频率对应波长的四分之一，且样品通孔的高度应大于其直径。
11、进一步地，待测样品的高度应使其放置于样品通孔内，样品座放置于中心通孔或偏心通孔内时，待测样品的下底面与圆柱腔的底部内壁接触，且上顶面超出样品通孔。
12、本发明还提供基于上述具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置的测试方法，包括以下步骤：
13、步骤1：在圆柱腔的中心通孔和偏心通孔内均放置堵孔座，使圆柱腔形成完整、封闭腔体，然后测量圆柱腔在空腔状态下tm010模式的谐振频率f0和品质因数q0；
14、步骤2：选择与待测样品尺寸相适应的样品座，将待测样品从样品座的样品通孔穿入后，整体依次插入圆柱腔的中心通孔和所有的偏心通孔，待测样品下底面与圆柱腔底部内壁接触，当样品座放置于中心通孔或偏心通孔内时，其余通孔设置堵孔座，观察并记录待测样品分别插入中心样品孔和偏心样品孔时tm010模式的谐振峰形状及谐振频率；
15、步骤3：结合空腔状态下tm010模式的谐振频率计算待测样品放置于每一个通孔时的频率偏移量；
16、步骤4：先基于谐振峰形状判断谐振峰是否完整，若谐振峰完整，则基于该谐振峰对应的偏移量是否小于设定阈值，若只有一个待测样品对应的通孔处测量得到的偏移量小于设定阈值，则以该通孔位置作为最佳样品孔；若有几个待测样品对应的通孔处测量得到的偏移量均小于设定阈值，则选择其中偏移量最小的测量时的通孔位置作为最佳样品孔；
17、步骤5：将待测样品放置于步骤4中筛选出的最佳样品孔，其余位置放置堵孔座，测量此时在tm010模式下的谐振频率fs和品质因数qs；
18、步骤6：基于微扰法计算待测样品的相对复介电常数εr，具体公式为：
19、
20、其中，ε'r为待测样品的相对介电常数，tanδ为待测样品的损耗角正切，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率，l为圆柱腔高度，△v为待测样品在圆柱腔内所占的空间区域，ez为空腔状态下圆柱腔中沿z方向(圆柱腔高度方向)的电场，为空腔状态下圆柱腔中沿方向的磁场，
21、
22、a为系数常数，j1为1阶贝塞尔函数，u01为0阶贝塞尔函数j0的第一个根，r为圆柱腔半径，r为圆柱坐标系中的径向方向。
23、进一步地，若待测样品设置于中心通孔，则式(2)中的∫δv|ez|2dv项改写为：
24、
25、若待测样品设置于偏心通孔，则式(2)中的∫δv|ez|2dv项改写为：
26、
27、式中，s为对待测样品沿纵向剖分的个数，取正整数。
28、进一步地，步骤4中设定阈值优选为5‰。
29、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
30、本发明提供了一种适用于宽损耗材料的复介电常数测试装置，该装置具有中心通孔和偏心通孔，可根据圆柱样品损耗范围选用不同通孔来建立谐振条件；测试方法基于微扰法进行样品复介电常数求解，针对圆柱样品偏心放置情况，通过将样品沿纵向进行剖分实现积分的等效计算，建立起样品偏心放置下的复介电常数求解模型；该装置和方法拓展了圆柱腔谐振法的损耗角正切测试范围上限，使得同一圆柱腔能够同时满足高、中、低损耗材料复介电常数测试需求。
技术特征：
1.一种具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置，其特征在于，包括圆柱腔、若干个堵孔座和一个样品座，所述样品座与堵孔座结构相似，仅样品座中心设置样品通孔，用于放置待测样品；所述圆柱腔的上端面中心处设置一个中心通孔，同一径向方向上设置若干个偏心通孔；所述堵孔座和样品座用于放置于中心通孔或偏心通孔内，堵孔座和样品座的下底面与圆柱腔的上端面的底部齐平，且尺寸与中心通孔、偏心通孔的尺寸相适应，使得堵孔座、样品座放置于圆柱腔上后，圆柱腔形成完整、封闭腔体。
2.如权利要求1所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，所述中心通孔和偏心通孔的截面为规则形状。
3.如权利要求1所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，中心通孔和偏心通孔的截面为圆形。
4.如权利要求1所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，堵孔座和样品座由两个同心圆柱构成，整体呈“t”型；当堵孔座和样品座放置于中心通孔或偏心通孔内时，第一圆柱裸露在圆柱腔上端面之外，第二圆柱放置于中心通孔或偏心通孔内，且第二圆柱的高度与圆柱腔上端面的厚度相同。
5.如权利要求1所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，偏心通孔的位置应使得其轴线处电场强度沿径向等比例递减，即从圆柱腔上端面中心处沿径向向外数的第m个偏心通孔处轴线与圆柱腔轴线的距离rm由下式计算：
6.如权利要求5所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，偏心通孔的个数n为2或3。
7.如权利要求1所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，若样品通孔的截面为圆形，则其半径应小于圆柱腔工作频率对应波长的四分之一，且样品通孔的高度应大于其直径。
8.如权利要求1所述的材料复介电常数测试装置，其特征在于，待测样品的高度应使其放置于样品通孔内，样品座放置于中心通孔或偏心通孔内时，待测样品的下底面与圆柱腔的底部内壁接触，且上顶面超出样品通孔。
9.一种基于权利要求1-8任一权利要求所述的材料复介电常数测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.如权利要求9所述测试方法，其特征在于，若待测样品设置于中心通孔，则式(2)中的∫δv|ez|2dv项改写为：
技术总结
本发明提供一种具有宽损耗测试范围的材料复介电常数测试装置及方法，属于微波测试技术领域。该装置通过在圆柱腔的顶部端面中心和径向方向上设置中心孔及多个偏心孔，将待测样品加载于圆柱腔中心孔处或偏心孔处，使得圆柱腔内TM<subgt;0n0</subgt;模式能够起振，从而实现对待测样品的介电常数的测量；同时建立了待测样品放置于偏心孔时的微扰算法，使得同一圆柱腔能够同时满足高、中、低损耗材料复介电常数测试需求。
技术研发人员：张云鹏,范哲源,张婧,刘昱琳,龙嘉威,高冲,余承勇,牛雪,李恩
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23