一种毫米波频段材料变温电导率测量装置及方法与流程

本发明涉及变温电导率测量，尤其涉及一种毫米波频段材料变温电导率测量装置及方法。

背景技术：

1、随着第五代5g及未来第六代6g移动通信、毫米波雷达遥感系统以及卫星通信、深空探测技术的飞速发展，金属导体材料作为传输线、基片集成波导、高品质因数谐振器以及天线阵列的基本构成单元，其电磁特性的准确表征直接决定了整个电子信息系统的链路预算、增益和整体效率。其中，电导率是衡量金属材料高频导电损耗的关键物理参数。

2、随着工作频率的显著升高，电磁波在导体中的趋肤深度呈平方根规律急剧减小，通常步入亚微米甚至纳米级别。高频电磁能量几乎完全集中在金属极薄的表层传输，此时材料的表层微观结构、晶格缺陷、加工工艺残留及表面氧化程度对电磁损耗的影响远远超过直流情况。当金属表面的物理粗糙度与趋肤深度处于同一数量级或更大时，电磁波在不规则表面流过会引发强烈的表面散射，进而导致大幅度的额外电磁损耗。传统的直流电导率无法体现这种由微观表面状态决定的高频散射损耗特性，现有的多项表征技术在频段覆盖范围、独立分层表征能力、测试样片定标要求以及动态变温模拟环境方面均暴露出明显的局限性。

3、目前普遍采用的开放式谐振腔方法在测量频率范围及几何因子定标复杂度上存在一定局限性，如波兰团队提出的平凹开腔谐振器方法虽具备较高测试精度，但其频段主要集中在40ghz以下，且高度依赖复杂的散射矩阵法或繁琐的三维电磁数值模拟来修正几何因子，后处理流程冗长，国内相关学者提出的准光开放式谐振腔方法则需依赖双标准样品进行系统定标，测试效率低下且标样误差易累积。这种对定标件的依赖问题，在工作频带较窄的高频段介质腔及圆盘谐振器中更加突出，并具体演变为对试样几何结构与装配精度的苛刻限制，该类表征方法对待测样片的厚度均匀性及表面平整度有着极高的敏感度，导致测量误差显著放大；近期日本研究团队利用平凹开放式谐振腔与高斯束波形理论，将带介质铜箔的测试频率提升至170ghz，但该方案在计算上需要引入复杂的微扰理论进行修正，且需要表面极为光滑的金属样品作为参考样品，目前仅能实现常温下的定点测量。在实际工程中，金属导体往往处于300k至400k的连续热负荷环境中，其内部电子的声子散射、晶格热膨胀以及表面氧化状态均随温度发生动态改变，然而，现有的高频表征手段由于温控模块与微波系统的集成难度大，导致变温采样点极少；同时，温度变化引起的腔体热致形变还会带来无法消除的系统温漂。因此需要一种的毫米波频段材料变温电导率测量装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是要提供一种利用谐振腔装置两次品质因数的差异直接计算被测样品的反射损耗进而获得其电导率，无需标准样品校准的毫米波频段材料变温电导率测量装置及方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明包括矢量网络分析仪、频率扩展模块、阻抗调配器、由上球面反射镜和下球面反射镜组成的准光开放式谐振腔，所述矢量网络分析仪（1）的信号输出端与所述频率扩展模块（3）的信号输入端连接，所述频率扩展模块（3）的信号输出端与所述阻抗调配器（4）的信号输入端连接，所述阻抗调配器（4）的信号输出端与所述上球面反射镜（6）的波导耦合输入端连接， 所述上球面反射镜（6）的波导耦合输出端与所述矢量网络分析仪（1）的信号接收输入端连接，所述温控仪（17）的加热控制输出端与所述加热基板（13）的加热控制输入端连接；所述温度传感器（14）的温度信号输出端与所述温控仪（17）的温度信号输入端连接，所述加热基板（13）用于承载所述被测样品，所述温度传感器（14）设置于所述被测样品表面；

4、所述样品夹具（8）固定安装于所述一维竖直位移台（9）的移动端用以调节样品与上球面反射镜之间的距离，所述一维竖直位移台（9）的固定端安装于所述准光开放式谐振腔的机械支架（10）上。

5、进一步地，所述上球面反射镜（6）和所述下球面反射镜（11）均为表面抛光的球面反射镜，所述上球面反射镜（6）和所述下球面反射镜（11）均为凹面反射镜且同轴相对设置，两者的曲率半径相等，腔长小于两倍曲率半径，以使腔体内实现tem00q模式谐振。

6、进一步地，所述上球面反射镜（6）和所述下球面反射镜（11）的耦合接口为同轴耦合环或波导孔耦合结构，每个球面反射镜上设有两个所述耦合接口。

7、进一步地，所述上球面反射镜（6）的耦合接口处连接有弯波导（5），所述阻抗调配器（4）通过所述弯波导（5）与所述上球面反射镜（6）连接。

8、一种毫米波频段材料变温电导率测量方法，用以执行所述的一种毫米波频段材料变温电导率测量装置，包括以下步骤：

9、步骤1：设置所述矢量网络分析仪（1）的测量参数，对空腔状态的准光开放式谐振腔进行扫频测试，识别工作谐振频点，测量得到空腔的谐振频率f0和空腔品质因数，所述测量参数包括起止频率、扫描点数和中频带宽，测量显示设置为传输系数模值；

10、步骤2：将被测样品以及加热基板（13）放入所述准光开放式谐振腔中，移动样品夹具（8）使当前谐振频率与步骤2中的空腔谐振频率相等；

11、步骤3：通过温控仪（17）控制所述加热基板（13）将被测样品加热至目标温度并稳定；

12、步骤4：测量当前温度下带样品状态的品质因数，根据以下公式计算该温度下被测样品的电导率：

13、

14、

15、其中，是真空介电常数，l1为平凹腔的腔长，c为光速，为该温度下被测样品的反射损耗；

16、步骤5：改变目标温度，重复步骤3和步骤4，获得不同温度条件下被测样品的电导率参数。

17、进一步地，步骤3中所述目标温度范围为300 k～400 k。

18、进一步地，通过调节所述阻抗调配器，改变准光开放式谐振腔的传输系数谐振峰的模值，使所述谐振腔处于弱耦合状态。

19、进一步地，所述准光开放式谐振腔具有双凹腔工作模式和平凹腔工作模式，在未放入被测样品时工作设置为双凹腔模式，在放入被测样品后工作设置为平凹腔模式。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明是一种毫米波频段材料变温电导率测量装置及方法，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

22、1.本发明通过双凹腔与平凹腔两种工作模式的结合测量，利用空腔和带样品状态下品质因数的差异直接计算材料的反射损耗，进而获得电导率数据，完全规避了标准样品表面氧化、老化或标称参数不准带来的系统误差，无需复杂的散射矩阵法或三维电磁数值模拟来修正几何因子，也无需双标准样品进行系统定标，测试流程简洁，后处理计算量小，测试效率高、操作简便。

23、2.本发明通过高精度温控模块与准光开放式谐振腔的集成设计，实现了在300k～400k连续温度区间内对金属材料高频等效电导率的精确测量和动态追踪，采用准光开放式谐振腔结构，通过更换不同几何参数的球面反射镜和频率扩展模块。

1.一种毫米波频段材料变温电导率测量装置，其特征在于，包括矢量网络分析仪、频率扩展模块、阻抗调配器以及由上球面反射镜和下球面反射镜组成的准光开放式谐振腔，所述矢量网络分析仪（1）的信号输出端与所述频率扩展模块（3）的信号输入端连接，所述频率扩展模块（3）的信号输出端与所述阻抗调配器（4）的信号输入端连接，所述阻抗调配器（4）的信号输出端与所述上球面反射镜（6）的波导耦合输入端连接， 所述上球面反射镜（6）的波导耦合输出端与所述矢量网络分析仪（1）的信号接收输入端连接，所述温控仪（17）的加热控制输出端与所述加热基板（13）的加热控制输入端连接；所述温度传感器（14）的温度信号输出端与所述温控仪（17）的温度信号输入端连接；

2.根据权利要求1所述一种毫米波频段材料变温电导率测量装置，其特征在于，所述上球面反射镜（6）和所述下球面反射镜（11）均为表面抛光的球面反射镜，所述上球面反射镜（6）和所述下球面反射镜（11）均为凹面反射镜且同轴相对设置，两者的曲率半径相等，腔长小于两倍曲率半径，以使腔体内实现tem00q模式谐振。

3.根据权利要求1所述一种毫米波频段材料变温电导率测量装置，其特征在于，所述上球面反射镜（6）和所述下球面反射镜（11）的耦合接口为同轴耦合环或波导孔耦合结构，每个球面反射镜上设有两个所述耦合接口。

4.根据权利要求1所述一种毫米波频段材料变温电导率测量装置，其特征在于，所述上球面反射镜（6）的耦合接口处连接有弯波导（5），所述阻抗调配器（4）通过所述弯波导（5）与所述上球面反射镜（6）连接。

5.一种毫米波频段材料变温电导率测量方法，用以执行权利要求1-4任意一项所述的一种毫米波频段材料变温电导率测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述一种毫米波频段材料变温电导率测量方法，其特征在于，步骤3中所述目标温度范围为300k～400k。

7.根据权利要求5所述一种毫米波频段材料变温电导率测量方法，其特征在于，通过调节所述阻抗调配器，使所述准光开放式谐振腔的传输系数谐振峰的模值使谐振腔处于弱耦合状态。

8.根据权利要求5所述一种毫米波频段材料变温电导率测量方法，其特征在于，所述准光开放式谐振腔具有双凹腔工作模式和平凹腔工作模式，在未放入被测样品时工作设置为双凹腔模式，在放入被测样品后工作设置为平凹腔模式。