CN113156215B - 无法估计材料介电常数情况下识别te011谐振模式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无法估计材料介电常数情况下识别TE₀₁₁谐振模式的方法，适用于使用谐振腔法或平行板法测试低损耗材料微波介电性能时TE₀₁₁谐振模式的识别，该方法先假设测试频率范围内的任意谐振峰为TE₀₁₁模式的谐振峰，利用数值方法计算出对应的试样介电常数。之后，使用金属环或介质片，改变谐振腔或平行板的上金属面与试样之间的距离，根据计算得到的每个谐振峰对应的介电常数，利用数值方法计算谐振频率的变化，并将其与实际测试结果相比较。TE₀₁₁模式谐振频率变化的计算值与实测值一般相差在2％以内，而其它模式均相差一个数量级以上，因此本发明方法能准确、快速地将TE₀₁₁模式从大量干扰模式中识别出来。

Description

无法估计材料介电常数情况下识别TE011谐振模式的方法

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，涉及低损耗材料微波介电性能的测试技术， 尤其涉及一种无法估计材料介电常数情况下识别TE₀₁₁谐振模式的方法。

背景技术

低损耗微波介质材料在微波通讯领域内有着非常广泛的应用，其微波介电性 能的精确评价则是实际应用的基础。谐振腔法和平行板法是测试低损耗材料微波 介电性能的通用方法,这两种方法均基于微波介质谐振的原理、采用TE₀₁₁谐振模 式(谐振腔法中的TE₀₁₁模式又称作TE_01δ模式)。所有的微波介质谐振***均为多 谐振模式***，故TE₀₁₁谐振模式的正确识别是低损耗材料微波介电性能测试中 需要解决的首要问题,模式识别错误则会导致测试结果完全错误。当测试方法与 夹具、以及待测试样尺寸确定时，TE₀₁₁模式的谐振频率仅由试样的介电常数决 定。因此，在能够较可靠地估计试样介电常数的情况下，可通过数值计算得到 TE₀₁₁模式谐振频率的大致范围，进而识别出TE₀₁₁模式。然而，在很多场合下， 无法估计试样的介电常数或估计的介电常数范围满足不了测试要求,TE₀₁₁模式的识别就会变得困难。特别是，当试样的介电常数较低时,TE₀₁₁模式的谐振频率 对介电常数的变化很敏感，且寄生模式峰更容易出现在TE₀₁₁模式峰附近，就更 容易导致模式识别错误。因此，发展可以在试样介电常数未知的情况下准确识别 TE₀₁₁谐振模式的新方法，对于低损耗微波介质材料的性能评价及开发具有重要 的意义。

发明内容

本发明的目的是为测试低损耗材料微波介电性能的谐振腔法及平行板法提供 识别TE₀₁₁谐振模式的新方法，该方法具有准确、简单、快速的特点。

本发明中识别TE₀₁₁谐振模式的方法，使用金属腔谐振器或平行板谐振器， 同时引入金属环或介质片、用以改变谐振腔或平行板的上金属面与试样之间的距 离。具体方法包括：先假设测试频率范围内的任意谐振峰为TE₀₁₁模式的谐振峰， 利用数值方法计算出对应的试样介电常数；之后，使用金属环或介质片，改变谐 振腔或平行板的上金属面与试样之间的距离，根据计算得到每个谐振峰对应的介 电常数，利用数值方法计算谐振频率的变化，并将其与实际测试结果相比较,若 谐振频率变化的计算值与实测值相差在2％以内，则对应的谐振峰即为TE₀₁₁谐振 模式。

对于谐振腔法和平行板法，测试步骤略有不同，具体如下：

谐振腔法：

(1)将直径为D_s、厚度为H_s的待测试样放置在金属谐振腔内的支撑物上。用 网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_0,i。假设任一谐振峰对应于TE₀₁₁模式，利用数值方法、根据f_0,i、D_s及H_s计算试样应有的介电常数ε_r,i。

(2)将厚度为H_m的金属环放置于谐振腔体和上盖之间，使试样与谐振腔上金 属面间的距离增加H_m。用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_1,i，得 出谐振频率的变化Δf_i(1)＝f_1,i-f_0,i。

(3)利用数值方法，根据ε_r,i、D_s、H_s及H_m，计算第(2)步中每一个谐振峰新的 谐振频率f_2,i及其变化Δf_i(2)＝f_2,i-f_0,i。

(4)将所有谐振峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)进行比较，吻合者即对应真正的TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

平行板法：

(1)将直径为D_s、厚度为H_s的待测试样夹置在平行板法的两块金属板之间。 用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_0,i。假设任一谐振峰对应于 TE₀₁₁模式，利用数值方法、根据f_0,i、D_s及H_s计算试样应有的介电常数ε_r,i。

(2)将介电常数为ε_r,d、直径为D_d、厚度为H_d的介质片夹置在试样与和上金 属板之间，使试样与上金属板间的距离增加H_d。用网络分析仪测试每一个谐振峰 对应的谐振频率f_1,i，得出谐振频率的变化Δf_i(1)＝f_1,i-f_0,i。

(3)利用数值方法，根据ε_r,i、D_s、H_s、D_d、H_d及ε_r,d，计算第(2)步中每一个谐 振峰新的谐振频率f_2,i及其变化Δf_i(2)＝f_2,i-f_0,i。

(4)将所有谐振峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)进行比较，吻合者即对应真正的TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

本发明提供的TE₀₁₁模式识别方法利用了不同谐振模式的谐振频率对试样与 上金属板之间距离变化敏感程度不同的特点，通过数值方法计算TE₀₁₁模式谐振 频率的变化，与实际测试结果进行对比，TE₀₁₁模式谐振频率变化的计算值与实 测值一般相差在2％以内，而其它模式均相差一个数量级以上，因此本发明方法 能准确地将TE₀₁₁模式从大量干扰模式中识别出来，并可有效避免以往方法中易 出现的模式识别错误。

本发明能够对介电常数小于1000、介电损耗小于0.1的低损耗介电材料在 1-40GHz频率范围内进行微波介电性能测试时所用的TE₀₁₁谐振模式进行准确识 别。利用本发明提供的方法，计算得到的TE₀₁₁模式谐振频率的移动与实际测试 结果之间的相对误差在2％以内，而其它模式均相差一个数量级以上。

附图说明

图1(a)是谐振腔法第(1)步、放置待测试样后的示意图；图1(b)是谐振腔法第 (2)步、放置金属环后的示意图。

图2(a)是平行板法第(1)步、放置待测试样后的示意图；图2(b)是平行板法第 (2)步、放置介质片后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明，本发明中识别TE₀₁₁谐 振模式具体步骤如下：

谐振腔法：

(1)将直径为D_s、厚度为H_s的待测试样放置在金属谐振腔内的支撑物上，如 图1(a)所示。用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_0,i。假设任一谐振 峰对应于TE₀₁₁模式，f_0,i可表示为D_s、H_s、ε_r,i的函数g₁：

f_0,i＝g₁(D_s,H_s,ε_r,i)。 (1)

当D_s和H_s已知时，ε_r,i与f_0,i有一一对应的关系。故根据式(1)，利用数值方法可 由D_s、H_s、f_0,i求得ε_r,i。

(2)将厚度为H_m的金属环放置于谐振腔体和上盖之间，使试样与谐振腔上金 属面间的距离增加H_m，如图1(b)所示。用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的 谐振频率f_1,i，并得到谐振频率的变化Δf_i(1)＝f_1,i-f_0,i。

(3)放置金属环后TE₀₁₁模式的谐振频率f_2,i由D_s、H_s、ε_r,i、H_m决定，可表示 为后四者的函数g₂：

f_2,i＝g₂(D_s,H_s,ε_r,i,H_m)。 (2)

故根据式(2)，利用数值方法可由D_s、H_s、ε_r,i、H_m求得放置金属环后TE₀₁₁模式 应有的谐振频率f_2,i及其变化Δf_i(2)＝f_2,i-f_0,i。

(4)将所有谐振峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)进行比较，吻合者即对应真正的TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

平行板法：

(1)将直径为D_s、厚度为H_s的待测试样夹置在平行板法的两块金属板之间， 如图2(a)所示。用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_0,i。假设任一谐 振峰对应于TE₀₁₁模式，f_0,i可表示为D_s、H_s、ε_r,i的函数G₁：

f_0,i＝G₁(D_s,H_s,ε_r,i)。 (3)

当D_s和H_s已知时，ε_r,i与f_0,i有一一对应的关系。故根据式(3)，利用数值方法可 由D_s、H_s、f_0,i求得ε_r,i。

(2)将介电常数为ε_r,d、直径为D_d、厚度为H_d的介质片夹置在试样与和上金 属板之间，使试样与上金属板间的距离增加H_d，如图2(b)所示。用网络分析仪测 试每一个谐振峰对应的谐振频率f_1,i，并得到其变化Δf_i(1)＝f_1,i-f_0,i。

(3)放置介质片后TE₀₁₁模式的谐振频率f_2,i由D_s、H_s、ε_r,i、D_d、H_d、ε_r,d决定， 可表示为后六者的函数G₂：

f_2,i＝G₂(D_s,H_s,ε_r,i,D_d,H_d,ε_r,d)。 (4)

故根据式(4)，利用数值方法可由D_s、H_s、ε_r,i、D_d、H_d、ε_r,d求得放置金属环后 TE₀₁₁模式应有的谐振频率f_2,i及其变化Δf_i(2)＝f_2,i-f_0,i。

(4)将所有谐振峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)进行比较，吻合者即对应真正的TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

采用本发明提供的方法，对介电常数未知的某待测试样在谐振腔法和平行板 法中的TE₀₁₁谐振模式进行识别，试样的直径D_s＝11.41mm，厚度H_s＝5.55mm。 谐振腔法中所用圆环厚度H_m＝0.48mm；平行板法中所用介质片的介电常数 ε_r,d＝2.2，D_d＝8mm，H_d＝0.34mm。表1和表2分别为谐振腔法和平行板法TE₀₁₁谐振模式识别过程中的f_0,i、ε_r,i、f_1,i、Δf_i(1)、f_2,i、Δf_i(2)、(Δf_i(1)-Δf_i(2))/Δf_i(2)等参 数。由表1知，谐振腔法第3个峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)相差仅为1.4％，而其它峰则相 差40％以上。由表2知，平行板法第6个峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)相差仅为1.7％，而其 它峰则相差70％以上。因此，谐振腔法和平行板法的第3及第6个峰对应于TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

表1

表2

Claims (3)

1.无法估计材料介电常数情况下识别TE₀₁₁谐振模式的方法，其特征在于，该方法适用于谐振腔法或平行板法测试低损耗材料微波介电性能时对TE₀₁₁谐振模式进行识别，具体方法包括：先假设测试频率范围内的任意谐振峰为TE₀₁₁模式的谐振峰，利用数值方法计算出对应的试样介电常数；之后，使用金属环改变谐振腔的上金属面与试样之间的距离，或使用介质片改变平行板的上金属面与试样之间的距离，根据计算得到每个谐振峰对应的介电常数，利用数值方法计算谐振频率的变化，并将其与实际测试结果相比较,若谐振频率变化的计算值与实测值相差在2％以内，则对应的谐振峰即为TE₀₁₁谐振模式。

2.根据权利要求1所述的无法估计材料介电常数情况下识别TE₀₁₁谐振模式的方法，其特征在于，对于使用谐振腔法进行低损耗材料微波介电性能测试时，该方法包括以下步骤：

(1)将直径为D_s、厚度为H_s的待测试样放置在金属谐振腔内的支撑物上，用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_0,i；假设任一谐振峰对应于TE₀₁₁模式，利用数值方法、根据f_0,i、D_s及H_s计算试样应有的介电常数ε_r,i；

(2)将厚度为H_m的金属环放置于谐振腔体和上盖之间，使试样与谐振腔上金属面间的距离增加H_m；用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_1,i，得出谐振频率的变化Δf_i(1)＝f_1,i-f_0,i；

(3)利用数值方法，根据ε_r,i、D_s、H_s及H_m，计算第(2)步中每一个谐振峰新的谐振频率f_2,i及其变化Δf_i(2)＝f_2,i-f_0,i；

(4)将所有谐振峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)进行比较，相差在2％以内即对应真正的TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

3.根据权利要求1所述的无法估计材料介电常数情况下识别TE₀₁₁谐振模式的方法，其特征在于，对于使用平行板法进行低损耗材料微波介电性能测试时，该方法包括以下步骤：

(1)将直径为D_s、厚度为H_s的待测试样夹置在平行板法的两块金属板之间，用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_0,i；假设任一谐振峰对应于TE₀₁₁模式，利用数值方法、根据f_0,i、D_s及H_s计算试样应有的介电常数ε_r,i；

(2)将介电常数为ε_r,d、直径为D_d、厚度为H_d的介质片夹置在试样与上金属板之间，使试样与上金属板间的距离增加H_d；用网络分析仪测试每一个谐振峰对应的谐振频率f_1,i，得出谐振频率的变化Δf_i(1)＝f_1,i-f_0,i；

(3)利用数值方法，根据ε_r,i、D_s、H_s、D_d、H_d及ε_r,d，计算第(2)步中每一个谐振峰新的谐振频率f_2,i及其变化Δf_i(2)＝f_2,i-f_0,i；

(4)将所有谐振峰的Δf_i(1)与Δf_i(2)进行比较，相差在2％以内即对应真正的TE₀₁₁谐振模式，完成模式识别。

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