一种用于材料电磁介电特性测试的结构的制作方法

1.本发明涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种用于材料电磁介电特性测试的结构。


背景技术：

2.材料介电特性在微波、毫米波频段上的测量是电子科学技术和基础物理研究中不可或缺的重要部分。新材料的不断涌现，迫切地需要精确测量其介电特性，这在理论研究和实际工程中都具有重要的意义。微波/毫米波频段是目前应用最为广泛的电磁频段。微波毫米波段，主要有谐振法和网络参数法。谐振法又分为谐振腔微扰法、高q腔法、介质谐振器法、分离式圆柱腔法等。网络参数法则分为传输反射法、自由空间法、终端短路法等。
3.在谐振法研究通常是指采用谐振腔研究，通过与外部电路相连，谐振腔成为完整微波回路系统一个关键部件。经由一个或数个端口谐振腔与外电路连通，外部传输线路将信号源信号引入谐振腔，在腔内激励起测量所需模式的电磁振荡。将外电路与谐振腔相连接的端口部分即是耦合器或激励机构。
4.耦合器必须保证能在腔中产生起测量要求的谐振模式，同时希望能尽量避免其他干扰模式的产生。依照激励方式的类别，有直接耦合、探针耦合、小孔耦合、环耦合等几种。在谐振腔系统的设计中应尽量避免干扰模的影响，合理设计耦合装置。设计的基本原则是模式力线匹配，调整耦合器的位置与结构，使所需激励模式的场线与干扰模式的场线方向不同，使干扰模式难以被激励，对干扰模式而言，只能形成微弱耦合；将耦合器放置在测量所需模式场强最大，而干扰模式场强最小之处。
5.如何将电磁信号馈入谐振腔，同时又抑制干扰模式的作用，是复介电常数测试系统设计制造中的核心关键问题。耦合环、耦合孔的大小与工作波长密切相关，其位置及大小需专门的仿真优化。为了进一步抑制干扰模式尤其是简并干扰模式引入的辅助结构，无论是缝隙结构，还是槽结构都对设计和加工提出了较高的要求，会导致测试系统成本升高。同时，辅助结构的引入不可避免扰动腔体腔体的工作模式，这额外的误差会影响测试系统的测量精度。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出一种用于材料电磁介电特性测试的结构。
7.本发明采用以下技术方案：一种用于材料电磁介电特性测试的结构，包括圆柱形波导及阿基米德螺线耦合器，将所述圆柱形波导两端密闭形成一圆柱谐振腔，所述阿基米德螺线耦合器位于圆柱谐振腔的上部中心；
8.所述阿基米德螺线耦合器包括连接段及两根阿基米德螺线，所述阿基米德螺线位于圆柱谐振腔内并与连接段的下端连接，所述连接段的上端贯穿圆柱谐振腔的上端盖，并通过n型接头与同轴电缆相连，同轴电缆的另一端连接有网络分析仪；
9.两根阿基米德螺线处于同一水平面，且左右对称、大小相等。
10.优选的，所述阿基米德螺线耦合器为铜材质的一体结构。
11.本发明至少具有以下有益效果之一：
12.在本发明中，网络分析仪提供电磁信号，阿基米德螺线耦合器会产生表面电流，并在馈口分左右两路流至左右两个对偶螺线上，在螺线半环上面将产生大小相等方向相反的表面电流，根据安培定律此种电流分布亦需要同样大小相等而方向相反的磁场分布，而这正与te
011
模式磁场力线形态相合，从而将电磁信号耦合进入圆柱谐振腔，并恰好激励起te
011
模式，耦合度高；本发明在无需辅助结构的协助下同时能够抑制干扰模式，尤其是简并tm
111
模式，保证圆柱谐振腔内能够激励起稳定的te
011
模式，正是利用te
011
模式磁场的对称性质，而tm
111
模式在横截面非对称，从而提高对圆柱谐振腔内材料介电特性测试的精确性；本发明结构简单，未采用辅助结构既能有效抑制简并干扰模式，保证了材料电磁介电特性测试系统的测量精度。
附图说明
13.图1为本发明优选实施例的模型结构示意图；
14.图2为本发明优选实施例的模型结构俯面示意图；
15.图3为本发明中阿基米德螺线的配置示意图；
16.图4为本发明中圆柱谐振腔的仿真电场分布俯面图；
17.图5为本发明中圆柱谐振腔的仿真磁场分布剖视图；
18.图6为本发明中耦合器的表面电流分布俯视图；
19.图7为本发明中耦合器的表面电流分布放大示意图；
20.图8为本发明的仿真反射系数图；
21.图9为本发明第二实施例的仿真反射系数图；
22.图10为本发明第三实施例的仿真反射系数图；
23.图11为本发明第四实施例的仿真反射系数图；
24.图12为本发明第五实施例的仿真反射系数图；
25.图13为本发明中圆柱谐振腔的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.10圆柱形波导、11圆柱谐振腔、20阿基米德螺线耦合器、21连接段、22阿基米德螺线
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心、纵向、横向、长度、宽度、厚度、上、下、前、后、左、右、竖直、水平、顶、底、内、外、顺时针、逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本
发明的限制。
30.参照图1至图2，本发明的优选实施例，一种用于材料电磁介电特性测试的结构，包括圆柱形波导10及阿基米德螺线耦合器20，将圆柱形波导10两端密闭形成一圆柱谐振腔11，阿基米德螺线耦合器20位于圆柱谐振腔11的上部中心；
31.阿基米德螺线耦合器20包括连接段21及两根阿基米德螺线22，阿基米德螺线22位于圆柱谐振腔11内并与连接段21的下端连接，连接段21的上端贯穿圆柱谐振腔11的上端盖，并通过n型接头与同轴电缆相连，同轴电缆的另一端连接有网络分析仪；
32.两根阿基米德螺线22处于同一水平面，且左右对称、大小相等。
33.在本发明中，网络分析仪提供电磁信号，阿基米德螺线耦合器20会产生表面电流，并在馈口分左右两路流至左右两个对偶螺线上，在螺线半环上面将产生大小相等方向相反的表面电流，根据安培定律此种电流分布亦需要同样大小相等而方向相反的磁场分布，而这正与te
011
模式磁场力线形态相合，从而将电磁信号耦合进入圆柱谐振腔11，并恰好激励起te
011
模式，耦合度高；本发明在无需辅助结构的协助下同时能够抑制干扰模式，尤其是简并tm
111
模式，保证圆柱谐振腔11内能够激励起稳定的te
011
模式，正是利用te
011
模式磁场的对称性质，而tm
111
模式在横截面非对称，从而提高对圆柱谐振腔11内材料介电特性测试的精确性；本发明结构简单，未采用辅助结构既能有效抑制简并干扰模式，保证了材料电磁介电特性测试系统的测量精度。
34.本发明中，圆柱谐振腔11内放置有待测试材料，测试材料为薄圆状且位于阿基米德螺线耦合器20的正下方。
35.作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：
36.阿基米德螺线耦合器20为铜材质的一体结构，一体成型能够保证耦合器的结构稳定，铜材质具有优越的传导特性。
37.本发明以cst电磁仿真软件建立电磁模型，如图1-图2所示，并通过仿真计算来验证本发明的技术效果，图4给出电场分布图，图5给出磁场分布图，图6、图7给出耦合器表面电流分布，其仿真方法及步骤已为本领域技术人员所熟知，故在此不另作详述。仿真最终结果得到反射系数s
11
图，s
11
为端口反射系数，当匹配良好时，基本无反射，说明微波信号有效馈入圆柱谐振腔体。
38.图8为仿真的反射系数s
11
图，可以看出s
11
的值无限近似于0，谐振腔基本无反射，说明微波信号有效馈入圆柱谐振腔体，阿基米德螺线耦合器20与圆柱谐振腔11的耦合度高。
39.当电磁信号波长变化时，圆柱谐振腔11模型尺寸通过近似的按同样比例变化，使本发明可以工作在较宽的频带范围；因而在只需通过活塞，改变腔体高度，无需更换耦合结构，就能实现一定频带范围内对材料介电常数的测试；图9为谐振腔体高度为68mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，图10为谐振腔体高度为73mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，图11为谐振腔体高度为78mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，图12为谐振腔体高度为83mm、耦合器不变时仿真的反射系数图，从图9-图12可以看出，在一定的带宽内都保证了显著的主峰谐振，在主模式附近没有干扰模式的出现。
40.如图13所示，一个高度为d半径为a圆柱谐振腔，将圆柱形波导前后两端进行密闭而形成；圆柱形波导横向场为驻波状态，而纵向场为行波状态，将圆柱形波导两端短路引起
反射，反射波与入射波叠加形成驻波场，te
mnp
模式与tm
mnp
模式是圆柱谐振腔的两种基本振荡模式，其中m、n和p分别表示场分量沿沿圆周、半径和腔长度方向分布的驻波数。
41.在圆柱谐振腔的众多模式中te
011
模式尤为特别，它的电磁场分布有以下特点：(1)电场只有e
φ
分量，即电场强度φ向分量，磁场在腔体纵向壁只有hz分量，即磁场强度z向分量，而在腔体两端面附近只有hr分量，即磁场强度r向分量，因此腔体只有方向(见图13坐标系)管壁电流而无z向(见图13坐标系)的电流，没有电流流过侧壁和端面的连接处；(2)te
011
腔的损耗很小，可以做成品质因数很高的谐振腔，是微波系统测试介电特性中谐振腔常用的模式。
42.在te
011
测试系统中，务必除去干扰模式tm
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。tm
111
属于简并干扰模，与te
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模式谐振频率完全相同，但场结构不一样，不仅影响谐振腔品质因数，还由于谐振频率串扰造成很大的测试误差。
43.因此，我们耦合器的设计基于te
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模式电磁场的分析：te
011
电场只有分量，电力线首尾相接，也即是所谓的圆电模。封闭的电场线，与腔壁脱离接触，自由电荷不存在在腔壁上。磁场没有向分量，磁场在腔体纵向壁只有hz分量，而在腔体两端面附近只有hr分量，因此腔体只有方向管壁电流而无z向的电流，而在端盖上则没有径向电流，没有电流流过侧壁和端面的连接处。te
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模式的磁场在横截面上是径向的且圆周对称，故无论对于垂直面还是水平面都是对称的；垂直极化的tm
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模式磁场在横截面是非纯径向的，例如对水平面是对称的而对于垂直面是反称的，水平极化的tm
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则与之相反。
44.如图3所示，基于阿基米德螺线对称特性，阿基米德螺线方程如下：
45.r＝r0 aφ
ꢀꢀꢀ(i)46.阿基米德螺线方程如公式(2)所示，其结构由角度量来确定，r0是起始半径，a是螺旋增长率，φ是极坐标的极角。充分考虑te
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模式径向磁场圆周对称的分布特点，采用两条旋转对称的阿基米德螺线，两个螺线的空间结构对称，而扭转的方向相反，形成大小相等方向相反的表面电流。基于螺线特定几何结构设计，表面电流大小相等、方向相反，表面电流与te
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模式特定的径向磁场分布吻合，以此抑制干扰模式的产生。表面电流将激励电磁场，和电流分布吻合的力线，铰链紧密的场模式被显著的激励，此处对应的就是te
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模式。
47.假定tm
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模式亦能够产生，由于tm
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模式的磁场分布在横截面上面是大小相等，但方向一致；根据安培环路定律及电磁边界条件，其磁场分布必然与对偶环上面的电流分布相抵触。
48.在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
49.以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。