CN106483384B - 电介质介电常数微波测量装置 - Google Patents

电介质介电常数微波测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电介质介电常数微波测量装置，包括一个槽线结构的混合环，该混合环包括输入端口、隔离端口及两个同相输出端口，混合环四分之一波长部分为槽线；其中输入端口及两个同相输出端口均采用对称共面波导传输线，并在两个同相输出端口的中间导带上对称加载有多组阵列支节，该阵列支节由终端开路的共面波导传输线构造；从输入端口到两个终端开路的同相输出端口形成两条信号传输支路，其中一侧的信号传输支路上设有用于盛放待测溶液的塑料管；隔离端口采用槽线，且采用刻蚀工艺制作有与槽线共面的巴伦，完成平衡/非平衡信号转换。本发明提出的测量装置为双端口测量，可避免多解问题，因而其介电常数的测量结果更加精确可靠。

Description

电介质介电常数微波测量装置
技术领域
本发明属于介电常数微波测量装置技术领域，具体涉及一种电介质介电常数微波测量装置。
背景技术
物质的介电常数一直是物质与微波相互作用研究中的一个基础而重要的问题。用来测量介电常数的方法有很多，主要可以分为谐振法和非谐振法。其中非谐振法相对简单，在非谐振法中，传输-发射法在宽带测量中得到了广泛的应用，甚至被用来测量低损耗物质的介电常数。这种测量方法是通过加载被测物前后测试装置的散射参数的幅度和相位的信息，通过复杂的去嵌入或者反演算法完成材料介电常数的计算及提取。因此测量时必须精确地获取散射参数。尤其是当两种媒质的介电常数非常接近时，所测得的散射参数的信息也会非常接近，传统输出-反射法如同轴线测量无法精准区分这些微小变化的信息，从而影响了对物质介电特性的判断。本发明提供了一种基于混合环结构输出端口终端开路的新型的测量装置，采用两路比较法提高测试灵敏度，实现了区分介电常数微小变化信息的测试。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种基于混合环结构复合终端开路的电介质介电常数微波测量装置，该测量装置是通过在宽带混合环的两个输出端口末端加载终端开路的支节组成的阵列附加结构来构成的，即采用终端开路的支节结构加载在两个输出端口上，从而组成阵列结构形式连同两个输出端口开路的混合环构成的新型结构，达到提高整个测量装置介电常数测量灵敏度的目的。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，电介质介电常数微波测量装置，其特征在于包括一个槽线结构的混合环，该混合环包括设置输入端口、隔离端口及两个同相输出端口，混合环四分之一波长部分采用槽线与各端口相连，其中输入端口及两个输出端口均采用对称共面波导传输线，并在两个输出端口的中间导带上对称加载有多组阵列支节，该阵列支节由终端开路的共面波导传输线构造，从输入端口到两个终端开路的同相输出端口形成两条信号传输支路，其中一侧的信号传输支路上设有用于盛放待测溶液的塑料管，隔离端口采用微波槽线。测试过程中，输入端口及隔离端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。
进一步优选，所述的隔离端口采用刻蚀工艺制作有与微波槽线共面的巴伦，完成同轴接口与槽线结构之间的平衡/非平衡信号转换。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供的新型结构的两个同相输出端口末端开路并加载阵列支节的混合环测量装置，在测量装置保持相同容积的实验条件下，对不同浓度的待测溶液进行测量，采用FEM数值算法探索了该测量装置感知介电常数微弱变化信息的极限，其灵敏度远远高于传统传输线方法，而且与单端口的同轴线测量方法相比，本发明提出的测量装置为双端口测量，可避免多解问题，因而其介电常数的测量结果更加精确可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中输出端口开路并加载阵列支节的混合环的结构示意图；
图3是本发明中输出端口开路并加载阵列支节的混合环空载时散射参数示意图；
图4是本发明中输出端口开路并加载阵列支节的混合环负载时散射参数示意图。
图中：1、矢量网络分析仪，2、塑料管，3、待测溶液，4、输入端口，5、隔离端口，6、同相输出端口，7、阵列支节，8、槽线，9、SMA接头，10、传输线路，11、参考线路，12、巴伦。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
如图1-2所示，电介质介电常数微波测量装置，包括一个槽线结构的混合环，该混合环包括设置于输入端口4和隔离端口5及两个同相输出端口6，混合环四分之一波长部分采用槽线8与各端口相连，其中输入端口4和两个同相输出端口6均采用对称共面波导传输线，在同相输出端口6的中间导带上对称加载有多组阵列支节7，该阵列支节7为终端开路的共面波导结构，从输入端口4到两个终端开路的同相输出端口6形成两条信号传输支路，其中一侧的信号传输支路上设有用于盛放待测溶液3的塑料管2，隔离端口5采用微波槽线，在隔离端口5采用刻蚀工艺制作有与槽线共面的巴伦12，完成同轴接口与槽线结构之间的平衡/非平衡信号转换。测试过程中巴伦12及输入端口4分别通过SMA接头9与矢量网络分析仪1相连。
采用有限元（FEM）数值方法对整个测量装置进行模拟，按照实际尺寸建造如图2所示的测量装置模型结构，分别仿真出两个同相输出端口6开路并加载阵列支节7的混合环不放置任何待测溶液时的散射参数，如图3所示。
理想情况下，微波信号由输入端口4输入，经四分之一波长变换大部分信号等幅同相到达两个同相输出端口6，隔离端口5无信号输出。将由输入端口4的信号传输到同相输出端口6的两条信号传输支路分别称为传输线路10和参考线路11。当将不同浓度的乙醇溶液放置于传输线路10中的塑料管2内时，相当于在测量装置内引入了不连续性结构，原有的信号传输平衡状态将被打破，从而使测量装置的输入端口4及隔离端口5的散射参数信息发生变化，本发明正是根据这些变化信息计算待测溶液3的介电常数。
由于与矢量网络分析仪1相连的接口为特征阻抗为50Ω的同轴线接口，这种同轴线接口是大多数仪器及信号发生器的标准接口。由于同轴是非平衡接口与槽线结构的平衡传输特性不匹配，需要在同轴接口与槽线结构之间采用平衡/非平衡转换。本发明给出了宽带范围内平衡/非平衡转换巴伦，即根据不同参数采用刻蚀工艺制作有与隔离端口5微波槽线共面的巴伦12，从而达到最佳匹配效果，完成平衡/非平衡信号转换。
为了验证本发明提出的同相输出端口6开路并加载阵列支节7的混合环测量装置在感知介电常数微小变化的有效性，下面通过实施例进行了一些相关的测量，即将摩尔浓度分别为0.05(x1）、0.09(x2)、0.12(x3)及0.14(x4)的乙醇溶液分别放置于上述的塑料管2内，其计算的测量装置的散射参数信息如图4所示，从图4（a）和（b）可以看出，当测量装置放上待测溶液2时，整个测量装置的端口的散射参数发生了明显的变化。并且图4也说明了该测量装置可感知的乙醇溶液的最小摩尔浓度差为0.02。表明本发明提出同相输出端口6开路并加载阵列支节7的混合环测量装置在微波波段内宽带感知介电常数的微弱变化是十分有效的。
研究表明，采取两线路相比较的测试方法。即一条为参考线路11，其上放置参考材料，另一条为传输线路10，其上放置被测材料，可大大提高测试灵敏度。本发明无需任何参考物，所述的参考物与被测物相同指的是整个测量装置不放置任务物质（空载），当将被测物放置于塑料管中时称之为负载，本发明是通过空载及负载两种情况下散射参数的对比，进而获得待测溶液的介电常数。并且本发明所提出的测量装置在两同相输出端口6的末端加载阵列支节7，其增强了电磁场对待测溶液的作用，并敏感感知介电常数的微小变化引起的微弱的散射参数信息，因此可大幅度提高整个测量装置的灵敏度。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.电介质介电常数微波测量装置，其特征在于包括一个槽线结构的混合环，该混合环包括输入端口、隔离端口及两个同相输出端口；混合环四分之一波长部分采用槽线与各端口相连，其中输入端口及两个同相输出端口均采用对称共面波导传输线，并在两个同相输出端口的中间导带上对称加载有多组阵列支节，该阵列支节由终端开路的共面波导传输线构造；从输入端口到两个终端开路的同相输出端口形成两条信号传输支路，其中一侧的信号传输支路上设有用于盛放待测溶液的塑料管；隔离端口采用槽线，测试过程中输入端口及隔离端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连；所述的隔离端口采用刻蚀工艺制作有与槽线共面的巴伦，完成同轴接口与槽线结构之间的平衡/非平衡信号转换，与矢量网络分析仪相连的接口是特征阻抗为50Ω的同轴线接口；理想情况下，微波信号由输入端口输入，经四分之一波长变换大部分信号等幅同相到达两个同相输出端口，隔离端口无信号输出，将由输入端口的信号传输到同相输出端口的两条信号传输支路分别称为传输线路和参考线路，当将不同浓度的乙醇溶液放置于传输线路中的塑料管内时，相当于在测量装置内引入了不连续性结构，原有的信号传输平衡状态将被打破，从而使测量装置的输入端口及隔离端口的散射参数信息发生变化，根据这些变化信息计算待测溶液的介电常数。
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