（无线电物理专业论文）宽频带低损耗介质微波复介电常数测试技术的研究.pdf

摘要 低损耗电介质材料在民用及军事应用方蕊商着广泛的粥途，故知道谨们宽频 萤癌懿鬟灸毫常数是缀重要熬。 本文荫先分析了簸介电常数的常用测试方法，基于高q 腔法原理，采用一 腔多模技术，设计了搬壤带测试腔，组建了宽频带测试系统，利用自动灏试软件， 完残对嚣试仪器貔稷控辩复奔电常数髂诗算。豢嚣藕雳硪镧酶滚试系统及灏试软 件对样品进行测试，褥蒯了所测试材料的复介电常数。分析丁薄样品的溯试方法。 本文还进行了测试误差分掇。根据测试原壤确定误差潺，逶过误差爨论分板， 得戮综合误差。 通过测试结果及理论分析表明，测试系统能达到的技术指标及测 试误差分别为： 测试频段：7 1 8 饼妲 耪辩溅试蓬嚣：；2 - 8t a n 8 2 1 0 4 5xl 矿 测试谈差： i 船占l 2 a 鼬别1 2 t a n s + 5 l o - 5 关键词：宽频带一腔多模复介电常数微波测量 a b s t r a c t l o wl o s sd i e l e c t r i cm a t e r i a li sw i d e l yu s e di nd o m e s t i ca n dm i l i t a r y t e c h n o l o g i e s ，i ti sn e c e s s a r yt ok n o wt h eb r o a d b a n dr e s p o n e so fc o m p l e x p e r n i t t i v i t yo ft h el o w l o s sd i e l e c t r i cm a t e r i a l t h ep a p e ra n a l y z e st h e u s u a lm e a s u r e m e n tm e t h o d so fc o m p l e x p e r m i t t i v i t y 。a c c o r d i n gt ot h em e t h o do fh i g hqc a v i t ya n dt h et e c h n o l o g y o fm u l t i m o d ei no n ec a v i t y t h eb r o a d b a n dt e s tc a v i t yh a v e b e e n d e s i g n e d ，a n ds e tu pt h eb r o a d b a n da u t o t e s ts y s t e m u s i n gt h eb r o a d b a n d t e s ts y s t e ma n dt h ea u t o m a t i ct e s ts o f t w a r e ，t h es a m p l e sa r et e s t e d ，t h e c o m p l e xp e r m i t t i v i t yo ft h es a m p l e sa r eo b t a i n e d t h et e s tm e t h o do ft h i n s a m p l ei sa n a l y z e & t h em e a s u r e m e n te r r o r si sa n a l y z e di nt h ep a p e r t h ee r r o rs o u r c e sa r e d e f i n e da c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n tt h e o r y ，, i t ht h ea n a l y s i so fe r r o r t h e o r y ，t h em e a s u r e m e n te r r o r sa r e0 b t a i n e d t h em e a s u r e m e n tr a n g ea n dm e a s u r e m e n te r r o r so ft h et e s ts y s t e m a r e a sf o l l o w s ： f r e q u e n c y ： m e a s u r e m e n tr a n g e ： 7 1 8 g m 8 7 = 2 g 劬6 = 2 xl 旷5 l o d 磁e a s u r e m e n te r r o r s ： l 如s i 2 i a t a n 爿 - - e l 第一章前言 1 1 引言 微波装置和微波器件中应用了许多类型的介质材料，电介质材料的应用极为 广泛；比如，同轴线中的绝缘片、加载波导中的介质块、天线的介质外罩，以及 各种器件中的支持装置和密封窗孔等。又如微波电路基片、天线罩中应用各种介 质板材，它们的特征是追求尽可能低的损耗因子和低介电常数，以获得极宽的 工作频带。为了保证一定的机械强度，有的板材还置入包含了一定排列的低损耗 的纤维或者纤维织物，这就构成了各向异性的材料。随着微波毫米波技术的发展， 介质的特性与微波装置和器件的技术性能有着更加密切的关系，因而，在微波毫 米波频段进行宽频带测量介质的复介电常数是有很重要的实际意义。 1 2 电介质复介电常数测试主要方法 测量微波介质材料复介电常数的方法【l 】有波导法、谐振腔法和自由空间波法。 波导法是将填充着介质试样的波导段或同轴线端作为传输系统的一部分来 测量它的复介电常数。具体的测量方法可以分为传输法和反射法。传输法是测量 介质试样段的传播系数来确定介质参量的，由相位系数和衰减系数可以分别确定 介质的介电常数和损耗角。采用传输法时，介质试样的反射系数对测量的误差关 系较大。反射法是将介质试样段接在传输系统的末端，并在它的输出端接短路器 来产生全反射波，而根据介质试样段引起的驻波最小点偏移和驻波系数来确定介 质的复介电常数。 谐振腔法是将介质试样放入空腔谐振器中，根据谐振频率和品质因数的变化 来测量介质的复介电常数。按谐振空腔法测量介质复介电常数的具体方法可分为 高q 腔法，微扰法。 在t e o l 。谐振腔中测量介质的复介电常数的方法应用最为普遍【3 】a 由于这种 空腔的品质因数很高，故可以较准确的测量低损耗介质的损耗角，此外由于电力 线自行封闭，不终止在腔壁上，所有腔壁电流都沿由方向流动，并构成封闭的圆 周形，没有电流流过圆柱和端盖的交界处，可以采用结构简单、性能良好的非接 触式调谐活塞，同时盘试样与腔壁之间的小间隙对测量的影响可以很小。 微扰法【4 j 比较适合于测量损耗较大的介质材料，即应用基于微扰原理的微扰 法来确定介质的复介电常数。 自由空间波法【5 】是利用天线将电磁波辐射到自由空间，溺遇到测试样品时， 发生反射和透射现象，利用天线接收这些反射和透射信号，计算介质材料的电磁 参鼗。耋囊空闻渡法搀熬潮季箬要求严格，要求一块孚毽懿、黻覆平行夔、糖怼垂 积足够大的样品，以保证电磁波能够以t e m 波的形式附着剡试样上并尽量减小 电磁波绕射的影响。 对予鬣损耗毫奔瀵复舟毫鬻数豹宽频繁溺试，霆蠹努基经建立懿方法是繁、捩 线法f 2 】 可以工作的频率范围是2 1 8 g h z ，这种方法的测试范围e = 2 2 5 ， t a n6 = 5 1 0 - 4l 1 0 2 。对于非备向同性的材料，关注测试装置中电场的极化 方疯是耋簧豹，带状线法逶会予毫场凝囊二方蠢愚燕壹予棱溺叛材兹徽波魄路基冀 的测试，而对于电场极化方向要求平行于板材情况，带状线法就不适用了。考虑 到所测材料极化方向的限制和极低的损耗角正切的测试要求，本文采用如国标 g b 5 5 9 7 1 9 9 9 所惩熬砥l 。寒q 腔法1 3 l 毽墓撂g b 5 5 9 7 - 1 9 9 9 是露定在个模式 一个频率上工作的，在鞠定频率下，读测腔体鬣入试样前盛长度的变纯燕来测定 介电常数，无法满足宽频带工作。我们反其道丽行之，固定谐振腔腔体长度，采 用一腔多模技术，用不阕驰模式寒宽藏宽频繁工俸。 1 3 本文研究内容 根据测试要求，确迩了测试努法。分析镄试原理并建立了测试系统。根摆裙 步误差估计和用户要求的指标，选撵满足系统撩标要求的测试仪器。根据理论分 析和计算，设计了一脱多模宽频带测试腔，其中包括耦合装蹩的设计、耦合孔的 设计、测试腔体尺寸的设计和计冀枧辅助设计。测试系统的缎建及对样熬的宽频 带铡试。分析了薄样菇豹测试方法。分析样磊溅试酌误差深，对瓣试避行误差分 析。 2 箭二章宽频腔的设计 2 。 了受高q 模式的选择掏 因为薅测量t a n6 低达2 1 0 西的低损耗材料，必然要求采用高q 谐振模式 酶谐振黪。为溅平行予摄专砉乎嚣豹极化方向的会电豢数，辫叛一定是逡建! o 。 鏊嚣柱艨。 2 2 宽频带覆盖腔多模模式的选择嘲 我铰王终懿强标歹k7 1 8 g h z 。五为一2 6 ，考虑戮太裹模式鲶骥式密发 太高，不制于模式的分辨和模式的纯化，又考虑副整个系统的要求，改变测试腔 体的长度，所设计的测试腔还要工作在毫米波频段上，为了使毫米波波段工作时 缀渡波段糕会装置对它影秀最夺，赦徽渡波段敝采耀髓岛k 模式亲完成7 一i s g h z 的宽频带工作。 2 3 模式的净化和测试腔体尺寸的优化设计 6 1 壶予疑毫。模式典毒众多酶乎撬模式，还鸯簿并穰式霉。在徉瑟瑟试过程中它 们的存在，确切的说，它们如果与骶l o 。模式十分接近，将影响b 。模式谐振频率 确定的正磁性，也影响骶1 0 。模式的函测试的准确性，从而影响复介石常数测试的 耩确度。为魏鼗稍一定簧尽藿使撇式移簿并模式逶离王终攘式，这靛鼹要遴舒 模式净化秘瞪体尺寸优化，使1 e 嘶模式的谐振频率与两边相邻模式的谐振频率离得 尽量远。 为了途至4 模式净纯的霹静，努矮器量排除予撬模式靠邋警终揍式。这藏嚣要统 化濒试腔体的直径d 和测试腔体的长度l 的比值b 忆，让所工作的所有的骶 0 l 。模式 与两边的捆邻模式的掇对频差之积有最丈值。根据阑际标准要求，测试腔体的直径d 彀秀5 2 0 0 h i m ，箨么炎爨要遂孬溅试整俸豹长度l 魏傀筵，澍予绘定令溅试葭嚣 的长度l 德，就可以祷剃一系列1 i 。模式及相临模式的谐振绷率韵值，对予任意 个- 1 日1 丑模式取其两边榴临模式的谐振频率作差，然后与! o 抽模式的谐振频率怍比， 褥惠秀分魄，然螽把褥舞静掰寿鳇露努数作黎，菠瑟我婺密餐积夔最太德，氇藏是 综台所有薯e 0 l n 模式，使它们找到个折中的测试腚长度l 使，使它们都誓作在理想 的状态，i l p i e d l 。模式工作时，相临模式的谐振频率远离它们的工作频率。 遥过谤算捷纯灏试靛嚣熬长发己值，最终褥遗( d l ) 2 = o $ 5 3 4 1 6 8 ，灏震模式 初步选定为砜l l t e o l 8 这八个模式来完成7 1 8 g 娩的宽频带工作。骶b 。模 式及其临：i 驻模式分布如袭2 - 1 所汞# 3 ( d l ) 2 = o 5 5 3 4 1 6 8 d = 5 2 0 0m ml 一6 9 9 0m m 模式 t e o nr 1 2t e o l 3 t e o l t t e o l s蛋甄1 6t e o r tt b l 8 j a ( m h z ) 7 3 s l8 2 3 69 5 3 0l 1 0 9 l 1 2 8 2 2l 僦1 6 s 7 61 8 5 棚 q o 3 5 翻的4 0 0 4 4 0 0 0熨o5 | 姗 捌黼 鬏舢7 洲 t e e n矗一7 3 5 1 m h z 1 i e n矗= 8 2 3 6 m h z t f 4 l 3 矗= 9 5 3 0m h z t e 。“ 矗= 1 1 0 9 1m h z 锄k 5矗= 1 2 8 2 2 m h z t e 螂 = 1 4 6 6 2i v h i z 珏。1 7 f o = 1 6 5 7 6m h z t r 氇矗= 1 8 5 4 0 m h z 毒 t i e l l 3 8 5m h z ( - 1 1 5 ) 出2 3 5 0 0 0 薯弛1 3 + 4 辩m 嗡_ 1 2 ) t 玛i l 3 4 m l k 1 2 斛) q o , , q 2 3 9 0 0 0 弧如b + 2 猢匦娜5 9 ) t m u o- 1 0 6m 融p 1 1 1 q i 妇2 4 4 0 0 0 觏l 耋i 辩+ 1 1 6 敝羽e j e p l 2 2 ) 穆lm l l z ( - 0 8 2 l q 叠2 5 0 0 0 0 鬏瞧醛+ l 瓣醒p l j 陋) t m 2 - 7 9 m h z f 棚6 1 ) q j 瞄暑。5 5 0 0 0 糯掰+ 5 2 m h z p 强4 王) 翩岷i ：9 2m h z ( 娟6 2 q l 啦2 6 0 0 0 0 冁s+ 8 8 m h z p 酝秘) 弧僵眦- 1 2 7 m h z ( 帕7 6 ) q l 啦2 6 5 0 0 0 零蕊蠡垃抛m h z p 瓤谚 1 e 搬 - 1 2 0m h z 一o 6 5 ) q 峨- - 7 0 0 0 0 秘l 摊+ 1 2 9 m h z 触强 2 4 耦合系统的优化设计 谐振腔必须通过一定的耦合才能与外面的传输线电路相耦合，耦合结构分为 直接耦合、探针耦合、环耦合以及小孔耦合。探针耦合是电场耦合，探针必须放 在电场最强的地方并且与电场平行，才能得到较紧的耦合，一般来说，探针耦合 是弱耦合，不宜实现强耦合。环耦合是磁场耦合小环放在腔体内磁场最强的地 方，并且环平面与磁场垂直，才可以得到较紧的藕合小孔耦合常用于传输线与 传输线问，传输线与谐振腔之问以及谐振腔与谐振腔之间的耦合。 根据需要，要完成宽频带的懑试，采用一般的标准波导无法满足需要，脊波 导的特点是工作频带宽，放根据双脊波导的特点，采用6 5 0 双脊波导来做测试谐 振腔的输入输出传输系统，来满足7 1 8g h z 的宽频带工作。所以本系统采用 双脊波导与谐振腔的靖面上进行小孔耦合，因为考虑到要用多个模式工作实现宽 频带测试的需要，如果在测试腔的侧壁上开孔，很难实现多个模式的宽频带工作 ( 由所需工作模式电磁场的纵向分布决定的) 。 耦合小孔中心位置的确定，根据1 舀l n 、1 致轴、1 e 踟模式的磁场在圆柱形谐 振腔中的径向的幅度分布特点，考虑到整个测试系统和工程实现的需要，两耦合 小孔( 小孔采用矩形孔) 的中心位置开在1 e 吼模式幅度值的零点处( 如图2 - 2 所示，图2 - 2 中x 轴表示测试腔半径归一化的值) ，这样可以使得1 岛抽模式工 作时这两耦合小孑l 对n b 知模式的影响减至最小。 图2 - 2 5 耩会魏戆夫毒惫辩鏊盔嚣羹纹辫瑟准确漏燕煞馕嚣下器璧蠢、一些，经其尽羹 减小对谐振模式的场结构的扰动。耦合孔的壁群尽量薄，遮样利于耦合和耦合小 孔尺寸的减4 4 9 1 。 剩嗣魄自葭场三缝傍粪软佟h f s s 瓣耩会琵懿天枣透行谤算瓤嚣纯傍囊竣诗， 根据实际能加工到的襁度，耦合小孔壁厚取0 3 m m ，由于所需模式较多，根据电 磁场理论知识，耦台小孔设计没有必要把所有的模式都一一考虑，只需进行典型 模式翔t e o l 2 窝t e o l 7 黎式往纯臻懿设诗，骚珐1 3 器璃1 7 攘式傍粪缕架设诗德健 数据图表如表2 - 3 所涿： 表2 3 模式 张鹃大d 、( m m x m m )壁簿( 蛳)谐振赢插损( d 秭 明日0 1 2 o 5x 2 7 o 33 8 5 嗣巨0 1 7 o 5x 2 7氆33 瞧9 疆0 1 2 1 5 x2 7o 33 5 4 t e o l 7 1 5 2 70 31 9 6 掇援傀倦傍囊数攒，进行了耩会盏叛熬窦际麓工，实际燕王藕会小魏实测数 据表如表2 q 所示： 表2 q 模式 孔瓣丈零( m m m m )壁霉4 m m )谐振赢疆矮国) t e o l 2 o 5 2 7o 56 6 1 硼邑0 玎 0 5x 2 7o 54 1 3 t e o u 1 5x 2 7 貔33 袋2 砸王0 1 7 1 5 x 2 7啦32 n 8 由予第一次加工檄会小磊的壤厚没有傲捌如计算机傍真设计的厚度，放第 一次实验模式魏谬羲纛辩蒺逶大，隧螽又对藕会参藐透露遴一步设谤，袋螽系统 确定耦合孔尺寸为1 5 1 r i mx2 7 r a m ，耦合孔壁脬为0 3 m m ，其计算机仿蕻结果和 实际测鬟络果比较接近。 2 。5 整个腔体和翁艟幂臻麓嚣塞懿设计戮鞭潮 为了排除干扰模的影嚷，主腔体采用三节腔组成，腔节之间的缝隙对t e o l n 模式魏场缕构几乎没有影响，对予嚣嚣电模式黢带之惩的缝隙甥割了它们的壁电 流，酸砉l ：了它钌懿场终梅，清弱了它锯的影魄。 6 由予活瀵和腔整之黼的缝豫不切割t e r n 。模的壁电流，缝隙对t e o t 。模的谐 振影响很小，而缝隙切割了简并模式和非圆对称的t e 摸的壁电流，主腔和后腔 之闻存在强耦合，破坏了它们的谐振条件，削弱了它们对t e o l n 模的干扰。 为了更好的消除非主模式的影响，后腔放入暇收物质，对非t e d 。模式加载， 傻它们在主腔中的藕合系数很小，缀难发生 黪援。下表为利用电磁场三维仿真软 件h f s s 对t e 0 1 3 和t e o l 7 模式附近模式分布的计算机仿真终果表( 焉腔商无吸 收耪蕨) 。 液2 5 瓢强i 3 模式附近模式分布的计舞机仿真结果袭( 屠腔有无吸收物旗) 模式1 e 3 1 2t e l l 4n d 2 l ot e r n 3w 0 1 4t m 2 1 1t e 4 1 1 后黢无吸收物旗 - 5 7 。2一s l 。5- 6 2 2- 3 4 17 0 6- 6 1 。3- 6 0 o 谐掇点播损( d b ) 盾腔宥吸收物溪 - 7 0 6- 6 6 77 3 8- 3 4 7 2 i 盍：2b e o 懑复测试数据寝 测试样潞名称及编譬：氧化铍6 - l测试温度：1 9 。c测试湿度：4 5 铡试样品厚度：d 气0 0 m m测试时间：2 0 0 5 0 2 2 4 测试频率：9 4 7 8 m h z 瑟瑟窥上爱嚣爨上 次序 t a n 8t a n 5 16 6 0 6 0 x l o - 6 6 1 5 7 x 1 0 - 4 26 。5 9 6 1 x 1 0 - 4 6 6 l5 8 x 1 0 - 4 36 。5 9 5 9 x 1 0 - 4 6 t 6 l 5 8 x 1 0 - 4 46 s 9 6 2 x 1 0 - 4 6 6 0 5 8 x l o - 56 5 9 6 1 1 0 - 46 6 05 8 1 0 - 4 66 5 96 0 1 0 46 5 8 l 旷 76 5 95 8 x l 矿6 踊 5 , 8 x l o 4 86 5 95 , 8 x l 旷6 6 0 5 7 1 0 - 4 总的平均值 96 5 96 2 x 1 0 - 46 6 05 8 x 1 0 - 4 1 06 。5 96 0 t 旷6 。国5 5 1 0 - 4 ( 最终结果) 警均值 6 5 96 0 x l o - 46 5 8 1 0 - 4 t a n 5 标准偏差 0 0 0 3o 1 4 1 0 - 40 0 0 5o 1 0 x l o - 46 6 05 9 1 酽 表5 7b e o 重复测试数据表 从以上测试结果可以看出，本测试系统可以完成7 1 8 g h z 的宽频带铡试 范围。 第六章薄样品测试的理论研究 利用本系统，来测量厚度很薄的样品，测量结果和同一块材料不同厚度的测 试结果相比较( 参照表5 - 2 和表6 一1 ) ，测试结果相差较大，特别是谐振频率较低 的低次模式。 测试时间：2 0 0 5 0 3 2 4 测试样品厚度：d = 1 9 9 m m 测试温度：1 9 。c测试湿度：4 0 测试样品名称：石英片 【测试频率( m h z )7 3 4 58 2 2 4 9 5 0 51 1 0 4 01 2 7 2 71 4 4 9 5 1 6 3 0 51 8 1 3 l s 3 9 53 9 53 9 43 9 33 9 23 9 23 9 13 9 0 表5 2石英样品测试数据表 测试时间：2 0 0 5 0 3 2 4 测试样品厚度：d = o 6 5 r a m 测试温度：1 9 。c测试湿度：4 0 测试样品名称：石英片 f 测试频率( m h z ) 7 3 4 78 2 3 2 9 5 2 81 1 0 8 91 2 8 2 11 4 6 6 11 6 5 7 31 8 5 3 6 s 6 6 4 4 6 64 2 84 1 5 4 0 9 4 0 74 ，0 4 4 0 4 表6 1石英样品测试数据表 从不同模式的场结构分析，我们可以得出如下结论：对于同一厚度的测试样 品，放入测试腔后，测试样品对不同模式的场结构的扰动不一样，对低次模式扰 动较小，随着模式的升高，对场结构的扰动逐渐变大，对于很薄的样品放入测试 腔后，对于低次模式来说，频率的扰动变化更小，再加上本身测试腔体频率的不 稳定性的影响，再者对于薄样品来说，从工程加工上很难加工达到如国家标准对 待测样品的要求，样品中心很容易产生不规则的变凹或边缘上翘，这种不均匀容 易激发高次模式，从而导致薄样品测试结果和厚度适中样品测试结果的差异。 为了能达到测量薄样品目的，就必须使薄样品放入后对场的扰动大一些，从 而来完成测试。如果把测试样品放入到场强的位置，则可以达到此目的，所以可 以考虑把样品抬高一些，文献【1 6 1 7 1 介绍了薄样品的测试方法，此法采用活塞上 放入几个小圆柱体把样品抬高，来达到增大对场的扰动，本文采用放入垫片把待 测试样品垫高的方法来分析。 根据电磁场理论中t e 0 。的电磁场表达式，可以得出加有垫高片的物理模型 图6 1 中不同区域的t e 0 1 。电磁场的表达式( i = 1 ，2 ，3 表示1 ，2 ，3 物理模型中三 个不同区域) 如下： h 。：一塾，。( 打) 彳，c 。s ( 届z ) 一b ，s i n ( f l ，z ) ( 6 1 ) 删 h 。：，土山( 打) 【4 ，s i n ( ，z ) + b ic 。s ( ，z ) ( 6 2 ) 删 上0 = j l ( 扫) 4s i n ( 屈z ) + b fc o s ( 屈z ) 相位系数 卢。= 挪2 ，f ，一k 2 由b ( r = 口) = 0 得 卢，= 堑 “ 加有垫高片的物理模型图如图6 1 ，其中垫高片的厚度为b l ， ( 6 3 ) ( 6 4 ) ( 6 5 ) ( 6 - 6 ) 介电常数为 待测样品的厚度为b 2 ，介电常数为2 ，加入待测样品后空气柱的厚度为b 3 ，介 电常数为3 。 p 33 防2 b 11 图6 1 根据边界条件，可以得到此模型的谐振时满足下述方程： ? = 旦! 生! + 生!生! + 壁2生j ( 6 7 ) t a n ( f l l b 】) t a n ( f 1 2 b 2 ) t a n ( p l b l ) t a n ( f 1 3 b 3 ) t a n ( ? 2 b 2 ) t a n ( p 3 b 3 ) 、。 设测试腔长度为l = b l + b 2 + b 3 ，测量未加入测试样品时测试腔的谐振频率后， 可以求得l 的长度，测量加入测试样品时测试腔的谐振频率后，易求得b 。， 代入超越方程( 6 7 ) 则可以求得b 2 ，从而可以解得所测样品得介电常数2 。 根据场的储能和耗能的关系，在如图6 - 1 的系统中，参照文献吲1 6 【17 1 ，可以 推导出测试样品的损耗角t a n | ( 5 2 的表达式 t a n 8 2 = ( e jh z + 兰，去一壶卜占：t a n 最 s ， 式( 6 - 8 ) 孛，s l ，2 , t a n 6 1 兔激翔僮，i l ，kb 秀霉数， 狐氇胃菇孥褥瞬瑚弼， 纵可以测得，从而可以得到测试样品的损耗角正切伽妫。 由乎登高嚣黪热入，不霹避免的增翔了诿差潦，鸯了撵鑫琵方法酶游试精确 度，垫商片在宽频带内的复介电常数必须准确知道。垫高片所用材料的损耗也应 越小越好，因为损耗大了会导致测试整的品璇因数下降搬多，严重影响酒试样品 豹鬟耗建正切醵嚣试精度。 第七章k a 波段同轴波导转接头的研制 由于本人所做工作是整个大测试系统的一部分，改变腔体长度此系统要工作 在毫米波频段，所以系统需用k a 波段的波导到同轴的转接头，需要进行k a 波 段的波导到同轴的转接头的设计( 此工作是在同学的基础上根进一步的优化设 计) ，下图7 1 为同学优化仿真i 珉s s 曲线图。 图7 - 1k a 毫米波段同轴波导转接头l 弹s s 仿真优化曲线 考虑到实际工程加工，模型完全按照实际能加工的结构来建立的，比如说 每一个阶梯处实际加工没有办法完全实现波导的理想结构，建立仿真结构时，就 考虑到这一点，在每个阶梯处都是有一定的圆弧，使得仿真更舅占近实际器件的结 构，来提高成品率。计算机优化仿真模型如图7 = 2 所示： 图7 - 2k a 毫米波段同轴波导转接头模型图 在驻波系数为1 2 2 的基础上，进一步进行了优化仿真设计，调节波导阶 梯高度的尺寸和同轴的外导体的尺寸。在调节过程中发现，调节短路活塞与同轴 内导体之问的距离，可以改善驻波系数，调节脊波导脊的宽度，也可以改善驻波 系数，但调节到一定程度，再改变它们的值对驻波系数没有明显的改善。由于脊 波导到外径为口井- - 2 9 2 1 的5 0q 同轴接头之问还有另外一段过渡的同轴结构。 首先设想减小其特性阻抗，有仿真的结果可以直接得出结论，减小其特性阻抗明 显使驻波系数变差，故应增大其特性阻抗，在此思想的指导下，对模型进行改进， 增大此段同轴特性阻抗，结果使驻波系数大大改善，调节此段隈轴的长度和外导 体的直径以及脊的宽度和短路活塞与同轴内导体之间的距离，培后得到优化结果 如图7 - 3 所示，驻波系数较以前改善了很多，驻波系数下降到1 1 3 。 图7 - 3k a 毫米波段嗣轴波导转接头h f s s 仿冀优化曲线 秀了溢多确定饿侄结采，又秘躅三维嚷隗场谤粪软髂c s t 戳嚣粥嚣凡 何尺寸进行仿真，仿真结果和h f s s 仿真优化曲线基本一致，如图7 - 4 所示。 骢b 辨黛咖黼i 乏a 胁秘翱壤) 闰7 4k a 毫米波段i 闭轴波导转接头c s t 仿真优化曲线 根据计算机优化设计的尺寸，画出加工图，进行实物加工，加工实物实测曲线： 图7 _ 5 实物1 测试曲线 图7 娟实物2 测试曲线 图7 - 7 实物3 测试艘线 测试新翔仪器： a g i l e n te 8 3 6 3 as n ：u s 4 2 1 3 0 1 7 5 i t e m ：e 8 3 6 3 a - a t o - 1 3 5 1 5 0 q 弱辘接头改为辨经失瓯= 2 4 0 岳，褥遴一步优化霹褥到仿囊热线如 臻7 8 ，纳辑录： 圈7 - 88 毫米波段2 4 m m 阏轴波导转接头h f s s 仿冀优化曲线 黼7 - 98 毫米波段2 4 m m 同轴渡簿转接头c s t 傍奏往纯藏线 此次优化设计实物还未加工好，故没有测试曲线 3 1 第八章误差分析 ：锊 ， 由式海1 ) 可得到案、面a t 、薏； 由式( 3 1 ) ，可得咯、豢； 由式( 3 - 3 ) ，可得到盟o a t 、豢； 由式( 3 4 ) ，可得到监o d 、警、甏： 岭舡和薏，巨蒜0 1 o 。氅0 dr 卜 厶= 薏，魄+ 象+ 薏 羞f 碱：。羔：。r 。 c 睨， i 诋l jl 幽式( 8 2 ) ，将譬，相闷瀚误差项进行综合，取置信度为i 2 1 2 5 ，归纳后，得 剩为8 。的误熬为： 矗。，i = 1 2 5 - ( f 1 d y 十( f 2 ，a d ) 2 + 伊3 瓴) 2 + ( f 4 蜕。) 2 ( 8 3 ) 其中，f l ，忍，用，掰的表达式见【附录】戎( 1 ) ( 4 ) 。 豳栅) ，删百o t m l d 、了o t a n 8 、一o t a n 8 、百o t a n c 。、瓦。t a n 8 、百o t a n a o v 0u，静o 。0 u 、。，、 由式( 3 蜘，可矧篆、百a q o o 、氅、i o q o o 、百o q ；o 、瓦o q ；o 、亟o u 、百o q ；o 、 a q 孟8 q 矗毋q 矗 一、一一、一： o l 0 8 。0 器 蜮( 3 - 7 x 聪到翌o l 詈、2 订_ p 蠹 c 锾 d 抒。d 髟 撼洛8 ) ，聪到乏o d 焘、嚣 撼 9 ) 可矧嚣、若； 绷 。拧 豳巍，我们测试谐振腔倦，黢用媳公式蕊： 酝= 粤 ( t + 篇p lp 嘉21 + p tp 斋2 1 1 海4 ， i + 十 蹦涮。篑、器、舔o q 、稳、 粕凳、象、褊、 甄。8 龋。 8 b 詹l 蛾。0 绕。 j _ 、_ a 归，“o t p 2 ，。l 盟一鱼。 到矿l ，。 、o t p 2 ，。| 熄a t a n 5 相嗣的误差项进行综合归纳取援信度为1 2 1 。2 5 ，彳导到t a n d 匏浸蓑 为： l a t a n f i l = 1 2 5 其中，f l ，f 1 1 懿袭这式见【辩最】式( 5 ) ( 1 5 ) 。 ( 8 5 ) 嵫l = 厣五茹可鬲面甄再瓦瓦i 万而五五习( 8 - 6 ) 其中： i a l 2 叵l = ( f 1 6 ，辄。) 2 + ( f 1 7 ( z 甄。) y + ( f 1 8 - a s 2 ， 。) 2 + 扩1 9 - 。呜。， 。4 ) 蕊中 f 1 6 = f 1 7 = f 1 8 = 上l 匦划= 一1 蜗s 1 b s 。1 2 f o 。0 ， 。 j 两如i1 ( 甑。) 2 怄- - 蛳i 2 1 一立f 上止 上工 甄；蛞赫填1 2 b 赫一3 ( 8 7 ) ( 8 - 8 ) ( 8 9 ) ( 8 一1 0 ) ( 8 1 1 ) ( 8 一1 2 ) ( 8 ，1 3 ) ( 8 1 4 ) f 1 9 = ! 业 蠛。 格。出煽船0 。蛳 2 ( 8 1 5 ) 测试误差源： 西、西，：0 0 5 p p m ；岛j 。舟、禺扎舟+ 新：o 0 6 d b ( 不同频攀应不一致，现以最 大豹计算) ； s 2 s d o 。、，力e 郴0 。l d b ( 不同频率不致，现以最大的计算) ； d ：0 。0 0 5 m m ；黟：0 。0 2 m m ： p j 、p ，、p ，。，p # ，： o 0 1 ( 瘦射系数艟模铀： 穰据误差源，拽稍瓣铡试榉品溯试结巢韵误菠分析，可戳得至n 澜试系统的测 试范围和测试误差； 测试频段： 材料测试范围：8 ；2 8t a n 6 = 2 1 0 。5 1 0 。3 测试误茬： | a 露，s 2 i a t a n 8 1 t e c h n 0 1 1 3 ( 5 0 5 8 ) ，2 0 0 2 1 8 粱黉文，陈栋才，俺贡，误差璞论与数据处理，北京：中溺诗量出版享主，2 0 0 i 。 1 9 费激泰，误差爨毒会与数据楚溪，辊槭工我出舨桂，第疆敝，2 0 0 1 2 0 郭高风，李恩，张其劭，低损耗介质材料复介电常数的变温测试，航空材 料学报，2 0 0 3 ，1 0 增刊。 附录 p 王= 。s * 1 3 鬈夤c 2 霸 2 f 0 2 鲁乞曩n 1 3 9 * d 2 - 1 。青t a 纛1 3 0 ( r - d 2 ； 1 + t 掌飘( 昏d ) “2 ) * a f e 一1 t a n d ) 邝“2 ) ； 0 2 ( 1 + t a z l p o - 童t a n 1 3 0 l - d ) p 0 “2 f 1 + t a ne p d ) “2 d 謦髯一1 。t a n 静拳d 争“2 ) n “2 f o “2 c “2 一x o m “2 d “2 ，“5 + x o m “2 d “3 ) + 2 晕i n ( p 0 + ( 工- 删d ) ) s i n ( p d ) “2 + c 0 8 ( 鼻o + ( l d ) ) p o ( 5 + c + n c o “2 d “2 一c “2 蔫：o m “2 n “2 ) “5 一5 + c o n + o “2 c f o “2 d 6 2 一c 2 i ：o m “2 n “2 l “土5 f o “2 + 王警v 器r o 王q o 霉- 王。q o 王 l 。c n o 2 + d “2 一c 6 2 t x o l 睡“2 矗“2 “。5 一王。 + c n d “2 f o “2 d “2 一c “2 j ：o l n 2 ，n “2 ) 1 s o “2 2 o + f c 0 8 2 + 参0 + 玉_ d ) ) + 2 + l 一2 d ) 芦o 一1 站土n1 2 + 芦o 五_ d ) ) p 0 “2 ) n “2 f o “2 c 2 一x o m “2 d “2 ) “ 5 x o m “2 d “3 2 + 0 0 8 2 + p 0 i k d ) ) + ( 。5 + c n ，i f o 2 + d “2 一c “2 + x o m “2 n “2 “ 。5 一。5 c n 童d “2 ，o 2 d 2 一e “2 女x 冁“2 ，嚣 2 “王。s 青f o 2 一王。+ 珏，p v 嚣r 2 + l q o _ i ，q o 王，+ - 2 x o m “2 ，d “3 c “2 矗“2 o 霉 2 + 。s 青登霉c 6 2 n “2 f o 军2 + 1 + t a n 帚o l l d ) ) “2 ) ( ( 1 + 七，i n ( p d ) “2 ) d p 一1 t 飘nc 芦+ d ) p e “2 ) + ( 5 c + n i f o “2 d “2 - c “2 青x o m 6 2 n “2 l “5 一5 c n d “2 ( f o “2 士d “2 一c “2 青】【a m 2 n “2 ) “i 5 0 “2 + 2 。o 青王。+ t 基n 争o + f l d 2 + l 一王d 彝o 一王。+ t i l 糕彝o 青f l d ) ，多o “2 1 + t i l n # d “2 j d 参一王七魏n p d ) 尊掌“2 ) n 6 2 f o 6 2 ，c 2 - 】：o 峦2 d “2 ) 5 x o a 瓢2 d “3 ) ) + 1 u p v 2 e r + 1 q o 掌- 1 + q 0 1 ) + f 2 + c o sc 2 + 争d d p e 一1 + g 盘n ( 2 卢+ d ) p 宅2 l + i 1 + t a n ( p 0 + f i | 一d ) l “2 ) ( 1 + t a n 霉+ d 6 2 d 汐彝一i 乞毒n 争d 参霉2 。5 0 c 霸，f o 2 静 2 一e “2 】c 徽“2 ，! “2 “5 一。5 c + n d “2 耋o “2 d 2 一e “2 奢：o 啦2 矗“2 】5 女f o 2 ) + 2 。o 娃+ t i l n 叠o + l d ) ) “2 ) + ( l 一1 d ) 卢0 1 t o u l ( p o + ( l _ d ) p o “2 ) cc 1 + t a n ( 争e d ) “2 ) + d e - 1 + t 曩n ( p d ) 毋霉“2 ) ( n “2 f o g “2 c “2 蛐x 锄“2 d 2 ) “5 x o i n “2 d “3 l + ( 一 i 。一1 群p ，v ，e r 唾q o o o ，o 霉) “2 。5 x o 啦“2 d “2 f p 鲁v 蠢e + u 毒，x o m 2 d “2 0 任一1 d l + 毒。+ 矗“2 o 2 c 2 轴矗一王q o o o f o ) “2 5 毒。+ x o l n 2 d “2 + ( p v + u ) + d + ( p + p e 2 + p o 2 ) ) i p v e r + u ) “2 ( 4 + x o m “2 d “2 + ( 1 一1 o d l ) + 4 + n 2 o “2 c “2 d h ) ) + ( 1 c + n f 0 2 + d 2 一c “2 + x 锄“2 n “2 ) “ 5 一王c n d 2 f o 2 d “2 一c 2 鼻x o 蕊2 “2 王。5 f o “2 2 o o c o s 2 膏妻o e l d ， 2 。毒瓤- 2 。士d ，争0 一i s i n 2 参o + i i d ) 参o “2 ，曩2 静o 霉2 e “2 _ x 强2 d “2 ) “5 鬻：o m “2 d “3 2 + c 0 8 ( 2 + 费o 量( l d ) ) + ( 5 c n f o “2 d “2 一c “2 青x 强“2 n 2 ) “5 一5 c + n d 2 ( f o “2 d “2 一c “2 + x o m “2 n “2 ) “1 5 f 0 “2 ) ) + ( 1 q o o + ( f o f o 窑l “2 。s 哇x 馓 2 d 2 v + d 参霉2 ， p v 鬟r 蝴 4 x o m 2 d “2 + 娃。一王 d ，毛+ 毒。膏靠“2 f o “2 c “2 童d l 一羔q o o o f o o j “2 。s + 唾。女x o 蕾2 ，静“2 + p + v + u ) + d o ( p + p “2 + 芦o “2 ) ) f p v e r + u ) “2 ( 4 x o m “2 d “2 ( 1 一1 d 氩) + 4 + n “2 f 0 “2 c “2 d l ) v 黛r ) ( 4 o + 摹i n ( o + i 工i d ) s i n ( p e d ) “2 c 0 8 ( 睁o o ( i - 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