[發明專利]基于波導終端短路法高溫高壓下介電性能測試系統及方法

在審

• 申請號: 202210589680.X
• 申請日: 2022-05-26
• 公開（公告）號: CN114966342A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 高勇;蔡林宏;李恩;朱輝;鄭虎;龍嘉威;張云鵬;高沖;余承勇;謝茂春;何驍;李興興
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12;G01R31/52
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 曾磊

1.基于波導終端短路法高溫高壓下介電性能測試系統，其特征在于，包括測試夾具、溫度測試模塊、壓力測試模塊和主機模塊；

所述測試夾具包括波導轉接頭4、散熱波導5、絕熱波導6、高溫波導7、金屬棒8、填充石英12和金屬短路板15；其中，波導轉接頭4的波導端與散熱波導5連接，同軸端與同軸線11連接，用于實現電磁波的匹配傳輸和模式轉換；散熱波導5、絕熱波導6和高溫波導7均為矩形波導，依次固定連接，散熱波導5和絕熱波導6用于防止在對高溫波導7進行高溫加熱時，過高的溫度對同軸電纜11和矢量網絡分析儀3產生高溫損傷；待測微波材料14設置于高溫波導內，其左側為填充石英12，右側為金屬短路板15，金屬短路板15右側固定連接金屬棒8；高溫波導7和金屬短路板15共同對待測微波材料14施加溫度場，填充石英12和金屬短路板15共同實現對待測樣品14施加壓力場；

所述溫度測試模塊包括升溫裝置、冷卻裝置和溫度檢測裝置；其中，升溫裝置包括感應加熱絲13和溫控柜19，感應加熱絲13環繞高溫波導7設置，并連接至溫控柜19，用于對高溫波導7進行感應電流加熱，以實現對待測材料的升溫；冷卻裝置包括隔熱復合材料17和散熱金屬柱18，依次固定設置于金屬棒8的右側，防止高溫的擴散；溫度檢測裝置為溫度傳感器16，設置于金屬短路板15的右側，用于實時監測待測材料的溫度，同時，溫度傳感器16通過導線外接LED數字顯示屏，對溫度進行實時的顯示；

所述壓力測試模塊包括施壓裝置和壓力檢測裝置；所述壓力檢測裝置包括壓力傳感器9和壓力顯示器21，壓力傳感器9固定設置于散熱金屬柱18的右側，壓力顯示器21與壓力傳感器9連接，用于顯示實時施加壓力；施壓裝置為加壓器10，加壓器10與壓力傳感器9相接，用于調節對壓力感應器9施加的力，從而準確控制對待測材料施加的力場；

所述主機模塊包括電腦1和矢量網絡分析儀3；矢量網絡分析儀3用于測量材料在終端短路波導中的S參數，電腦1用于控制矢量網絡分析儀3自動獲取加載待測樣品前后測試系統的S參數，并通過算法反演獲得待測材料的電磁參數。

2.如權利要求1所述的介電性能測試系統，其特征在于，散熱波導5和散熱金屬柱18內設置水冷槽，通過外接水冷箱2，用于防止在對高溫波導7進行高溫加熱時，過高的溫度對同軸電纜11和矢量網絡分析儀3和壓力傳感器9產生高溫損傷。

3.如權利要求1所述的介電性能測試系統，其特征在于，所述散熱波導5的材料優選為鋁，同時對波導的外部進行加工，使波導表面為排列整齊的鰭片，并對波導的外表面進行發黑處理，提高散熱效率。

4.如權利要求1所述的介電性能測試系統，其特征在于，所述絕熱波導6采用薄壁低、插損低的導熱波導制作。

5.如權利要求1所述的介電性能測試系統，其特征在于，高溫波導7和金屬短路板15的材料均為耐高溫且膨脹系數低的金屬。

6.如權利要求1所述的介電性能測試系統，其特征在于，所述波導轉接頭4為同軸-矩形波導模式轉換器，其作用是將同軸線中的TEM模式轉換形成矩形波導中的TE模式，以達到信號傳輸完成測試的目的，其工作頻段為12.4～19GHz，中心頻率為15GHz，駐波比為VSWR1.2。

7.一種如權利要求1-6任一權利要求所述的基于波導終端短路法高溫高壓下介電性能測試系統的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1.將波導加溫加壓至目標值，待溫度穩定后，測試未放置待測材料下的反射系數S_11h空；

步驟2.在波導中放置待測材料，將波導加溫加壓至目標值，待溫度和壓力穩定后，測量得到材料的反射系數S_11h；

步驟3.對步驟2所測得的反射系數S_11h進行修正，修正之后反射系數S₁₁為：

其中，|S₁₁|為修正之后反射系數S₁₁的模，θ_S11為修正之后反射系數S₁₁的相位；

步驟4.通過對步驟3得到修正之后反射系數S₁₁進行反演，即可得到待測材料的介電常數，具體過程為：

計算待測材料在波導中的傳播常數γ，公式如下：

根據步驟3得到修正之后反射系數S₁₁，則有：

γ＝α+j·β (3)

λ_c＝2a (8)

其中，d為待測樣品的厚度，L為整個測試波導長度，包括散熱波導5、絕熱波導6和高溫波導7，a為測試波導的寬邊尺寸，c為真空中的光速；β₀為空載波導中的傳播常數，λ₀為自由空間中的波長，λ_c為測試波導的截止波長；f₀為工作頻率，ρ為輸入駐波系數，θ_j為駐波最小點到待測材料輸入端的相位，α為衰減常數，β為相位常數；

由以上公式可以得到：

式中，ε′_r為待測介質材料的相對介電常數，tanδ_ε為損耗角正切。