一种准光腔宽频自动测试系统及测试方法与流程

1.本发明属于测试技术领域，具体涉及一种准光腔宽频自动测试系统及测试方法。


背景技术：

2.现阶段在毫米波频段低损耗材料介电性能主要采用准光学谐振腔(准光腔)法进行测试。准光腔内高次谐振模式随频率升高而大幅增加。高次模式不仅影响主模(测试模式)谐振性能降低主模品质因数，同时与主模接近的谐振模式还会与主模叠加导致谐振峰发生畸变。在高频测试过程中很多相同谐振频率的高次模谐振叠加导致谐振功率高于测试模式，给主模的模式识别带来了极大困难。
3.目前准光腔毫米波滤波结构主要采用添加滤波套筒和滤波板的方式。在w波段宽带内，不同频率高次模影响情况不一致，且准光腔谐振模式波束相同高度处的束腰随频率增大而减小。对于固定高度的滤波板或固定尺寸的滤波套筒，尺寸及位置不会随着频率改变，因此宽带测试滤波效果不同。当在宽带内测试时，按照最低频率处设计滤波板及滤波套筒，在频率升高后滤波效果变差；按照最高频率设计滤波板及滤波套筒则在低频测试时会干扰主模降低主模的品质因数并引起谐振频率偏移。
4.随着5g射频通信领域发展以及6g通信的布局，应用频率已经渐从厘米波发展到毫米波，并逐渐向太赫兹频段发展。微波电介质材料广泛应用在通信、雷达、生物医学、化工工业等领域，其中电介质材料介电参数准确性会影响电子设备性能，准确了解微波材料电磁特性参数对其应用具有重要意义。
5.对于材料介电特性测试，目前常用的测试方法主要有平板电容法、网络参数法以及谐振法等。其中平板电容法主要用于低频段，网络参数法材料介电特性测试的精度在3％左右。谐振法有介质谐振器法与谐振腔法，测试精度优于1％。目前在毫米波频段材料介电性能测试方法主要有自由空间法和准光腔法。自由空间法通常用于测量大面积的中高损耗材料，无法准确测试低损耗材料的损耗角正切值。准光腔法属于谐振法，适用于测试低损耗材料介电性能。准光腔法具有半对称结构准光腔(平凹腔)与对称结构准光腔(双球腔)两种结构，结构示意如图1所示。其中平凹腔具有加载样品方便、加工成本低等优点更广泛被采用。本发明为平凹腔准光腔测试。
6.准光腔内模式为tem
plq
模，plq为整数。其中tem
00q
为主模即测试模式。所有模式的谐振频率公式如下所示。随着频率的升高谐振模式数量显著增加，也就意味着随着频率的增加，高次模对主模的干扰越来越大。同时从公式中也可以看出，很多高次模式谐振频率相同，例如tem
10q
和tem
01q
，谐振频率相同的高次模式会产生叠加，谐振功率在高频率会超过主模导致自动测试模式识别困难。
[0007][0008]
准光腔测试一般在40ghz以下时虽然也开始出现高次模式干扰，但主模还是易于识别到。超过40ghz频段时则需进行高次模抑制。高次模式抑制基本原理是利用主模与高次
模场分布不同，通过添加合适的结构破坏高次模电场而不干扰主模，达到模式抑制的效果。目前常用的滤波结构主要有滤波环和滤波套筒分别如图2所示。主模与临近频率的高次模式电场分布如图3所示。
[0009]
滤波套筒和滤波板都是利用金属材料会反射阻隔电磁波的特性，由于主模能量主要集中在轴心处，高次模式能量会向边缘扩散，因此滤波结构根据对应测试模式的电场采用中空结构，外面为金属抑制高次模式传播。但在测试频率升高，主模与高次模式的波数会变窄，能量更集中在轴心处，在较低频率设计的滤波结构应用在高频是滤波效果变差，滤波结构不适用于宽带连续测试。
[0010]
现有技术的缺点：
[0011]
准光腔干扰谐振模式随着频率的增加大幅增加，严重影响主模谐振性能以及为模式识别带来相当大的困难。不同频率高次模影响情况不一致，且准光腔谐振模式波束相同高度处的束腰随频率增大而减小。对于固定高度的滤波板或固定尺寸的滤波套筒，尺寸及位置不会随着频率改变，因此宽带测试滤波效果不同。当在宽带内测试时，按照最低频率处设计滤波板及滤波套筒，在频率升高后滤波效果变差；按照最高频率设计滤波板及滤波套筒则在低频测试时会干扰主模降低主模的品质因数并引起谐振频率偏移。


技术实现要素：

[0012]
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种准光腔宽频自动测试系统及测试方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
[0013]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0014]
一种准光腔宽频自动测试系统，包括滤波板和可编程控制电机；滤波板固定在可编程控制电机上。
[0015]
此外，本发明还提到一种准光腔宽频自动测试方法，该方法采用如上所述的准光腔宽频自动测试系统，具体包括如下步骤：
[0016]
步骤1：通过可编程控制电机固定滤波板并调节滤波板高度；随测试系统频率变化自动进行位置调节；
[0017]
步骤2：分析不同频率测试模式的电场分布，根据主模电场分布确定对应频段的滤波板位置，根据测试频率变化控制调节可编程控制电机固定滤波板位置，得到滤波板的频率和位置对应关系；随测试频率变化控制可编程控制电机的高度变化；
[0018]
步骤3：控制可编程控制电机根据测试频率上下移动，实现准光腔系统的宽带自动测试。
[0019]
优选地，滤波板位置会对测试频率有影响，为保证测试准确性，空腔测试与加载样品测试时应保证滤波板位置一致；测试时首先进行空腔扫描测试，测试主模为tem
00q
，逐渐增加q数值，其中q表示模式数值，则测试模式逐渐变化，测试频率逐渐增加，随测试进行，频率升高，每测试一个频点，先调整滤波板位置，然后采集测试数据，对应频率空腔测试结束后，再按照对应模式进行加载样品时的数据采集。
[0020]
本发明所带来的有益技术效果：
[0021]
以往准光腔测试系统，对于固定高度的滤波板或固定尺寸的滤波套筒，尺寸及位置不会随着频率改变，因此宽带测试滤波效果不同；当在宽带内测试时，按照最低频率处设
计滤波板及滤波套筒，在频率升高后滤波效果变差；按照最高频率设计滤波板及滤波套筒则在低频测试时会干扰主模降低主模的品质因数并引起谐振频率偏移。
[0022]
本发明针对高频模式识别困难问题，首先设计利用可编程控制电机固定滤波板并调节滤波板高度，其次分析主模不同频率场分布确定对应频段的最适滤波板位置，根据测试频率变化控制调节电机固定滤波板位置，得到滤波板的频率和位置关系，解决固定滤波板带来的宽频测试模式净化效果差不利于模式识别问题；最后软件集成实现准光腔系统的宽带自动测试。
附图说明
[0023]
图1为准光腔夹具结构示意图。
[0024]
图2为准光腔夹滤波构图。
[0025]
其中，图(a)为滤波套筒结构示意图；图(b)为滤波板模型图；
[0026]
图3为准光腔主模与高次模式电场分布图；
[0027]
其中，图(a)主模tem
00q
电场分布图；图(b)为高次模tem
11q
电场分布图；
[0028]
图4为主模不同频率电场分布图；
[0029]
其中，图(a)为主模40ghz电场分布图；图(b)为主模84ghz电场分布图；图(c)为主模101ghz电场分布图；图(d)为主模110ghz电场分布图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0031]
本发明采用滤波板方式进行高次模式抑制。滤波结构尺寸大小无法根据频率进行变化，因此采用滤波板滤波方式，可以根据测试频率进行高度调节，实现频率自适应的宽带准光腔法自动测试。
[0032]
本发明设计将滤波板固定在可编程控制上下移动的电机上，通过分析不同频率主模场分布情况确定滤波板最适宜放置的高度，建立频率和高度对应关系，然后利用程序控制滤波板高度随测试频率变化自动调节，软件控制电机与测试采集数据和计算集成一起实现系统自动控制。本发明以如下尺寸准光腔夹具为例，介绍滤波板开孔大小以及高度控制的分析关系，设计方法为通用设计，不针对具体尺寸准光腔夹具。
[0033]
选取准光腔凹面镜曲率半径r＝180mm，腔长d＝170mm。从图4中可以看出主模不同频段模式场分布有所差异，主模束腰半径随着频率升高逐渐减小，同时高次模式束腰也会随频率逐渐减小，因此测试频率升高后滤波板的开口内径应逐渐变小。测试时改变滤波板内径大小难以实现，通过固定内径与束腰的比例调整滤波板z向高度进行动态调整。利用电磁仿真软件仿真计算不同频率不同测试模式的电场分布，滤波板内径与束腰比，建立频率与位置对应关系。实际位置关系还应根据加工硬件实测效果进行调整。
[0034]
得到频率和位置对应关系后通过软件编程控制电机根据测试频率上下移动位置，软件控制与采集测试参数集成一起。调整滤波板位置会对谐振频率与品质因数有轻微影响，为保证测试准确性，空腔测试与加载样品测试时应保证滤波板位置一致。测试时首先进行空腔扫描测试，测试主模为tem
00q
，逐渐增加q数值，则测试模式逐渐变化，测试频率逐渐增加。随测试进行，频率升高，每测试一个频点，先调整滤波板位置，然后采集测试数据。对
应频率空腔测试结束后，再按照对应模式进行加载样品时的数据采集。
[0035]
本发明系统主要针对宽带准光腔法介电性能测试滤波结构进行频率自适应设计。通过可编程控制电机调节滤波板高度，随测试系统频率变化自动进行位置调节，实现不同模式滤波结构不同的变化。
[0036]
本发明分析不同频率测试模式的电场分布，根据主模电场分布确定滤波板最适合位置，建立位置和频率对应关系，随测试频率变化控制电机高度变化。
[0037]
本发明实现了高集成度的宽带高频准光腔介电性能自动测试系统。
[0038]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。