8毫米波段低损耗材料介电参数测量.pdf

8毫米波段低损耗材料介电参数测量 吴富根韩国富体 明珠 摘 要 J 采用8 毫米波段的螺旋 波导 若振睦和螺旋 改导 微调波长计 测量低损耗材科介质的介电参数 j 到 精度 为A l l At E O 窖 d 3 0 一 方 案选择 喏米波技术中 无论在各种介质传输线和 元 器 件 中 用得较多 的 是 低 搅 耗 介 质 材 料 对于 低 损耗材 料来说 在 微 波与毫米波 测试巾 一 般用谐 振 腔方 案 具体到 8毫米 波段 有两种谐振腔方案可尉 一种是圆柱形封闭式谐振腔 另 种是球形开放腔 就整体形 圆柱 腔而 言 为 了减少杂模 直径 往往做 得比较小 Q位一般 较低 为了 达到 一 定 构 品质因 数 一般腔 的内壁要 加工 到 V 级以上 的光洁 度 8毫米球形 开放腔 剐相 反 体积过大而且 带有球 面 这样 给腔体的加工 和样 品的 制作 带来 一定的 困难 因 为样 品直径 大 为 了保 证一定 的平行度 其厚度 也要增大 致 使整 个 试样 的体 积就 显 得更大 材 料 耗 费 更 多 对 于多数新材 料和 贵重材料而 育 样 品的制 备菥不 甚方便 了 我们采用绝缘导线绕 IjIf 的螺旋线结构的圆柱形金塌谐振腔 配上不接触式短路活塞和适 当的耦合机构 可 以达到较 高的模式纯度 除了 H 模族 以外的所有 模式 几乎 完全 受 到 抑 制 采用绝缘导线绕铆的螺旋波导结构 会使谐振腔内的能量损耗和泄漏略有增加 但是 由于 模式纯度 高 所 以可 采用 较大的直径 D和 较 高 值的 振荡模式 在 8毫米 波 段 品 质 因数仍 可做 到 大于 5 1 0 的量 级 国外有 文献掇导 取 2 0时 品质 因数可做 到 2 0 0 0 0 0 这种谐振腔已具备测量损耗角正切为 l 0 5 量级的材料的 由 棚暴泡聚四氟 乙烯 螺 旋 线 结构 的谐 振腔 也不 象整体 形 圆柱 腔和球形 开放腔那样 一定要特 j 精密 的内圆或球 面加工 光洁度达 V 1 级 以上 所 以从腔体本身的加工难度 成本和电气性蓑 模 纯度 质 阿 敬 以及测试样 有合理舶尺寸 加工方便这三穷而来番 在 8謦米波段 造种结构的 谐 振 腔不 失为一 优 选 疗掌 l l I 一 二 l原 直 l lf 在图 1 所示的圆柱形谐振腔巾 放入直径为 D 厚度 为 d的盘片形待测样品 调节可移动 的 活塞 使其在 所设计的频 率上 3 5 GHz 发生谐 振 记下 此时腔 体 的谐振 长度 l 并 测 出此时谐 振腔的 品质 因数 O 然 后将介蜃样 品取 渊节 可 移动舳 活塞 使 其仍 然在 所设计 一 嚣一 维普资讯 的频率上 发生谐 振 记下此刑 的腔 体 的谐 振 长度 并 测出谐 振腔品质 因数 口 c 根 据 这 六 个 测得 的数据 D d k l 按下列诸公 式 可计算 出待铡材料的介电常数e 瓢损耗危正切 t 介电常数 一 一 t e 丢 半 式中 一自由空问波 长 一 谐振腔半 径 一蚁 舟 I 邕 常数为 B静介质所填充圆波导中 风 t 波的传输祖位常数 其 中 A q 与 又分别 由式 2 a 确定 t 盟一 d一 d 圈 1 妇I 佐烈定介电器数 f 2 f 3 式 中 c 自由空问光速 无试样时腔体的谐振 淬 J风 空气填充段的圆波导 中 矾 波的传输相位常数 s 有无试黼 目 后二次腔体谐振时活塞位置的差距 a血下式畹定 损耗 角正 切 萌 誓 L t s 古 去 一 音 嚣 L 一c a s 十 z 一 式中 束装试样时潮试腔谐振嵌虔 它与腔体尺寸的关系为 嘲罨 葡 V d f 5 6 f 7 f 8 9 一腔体谐振模式 装有试样时澳 f 试腔休的无载品质因数I口 装有 具 有待 铡 试样的介电常数面无损耗试样 假想的 时测试腔柏无载品质因数 口 是由来装试样的测试腔的无载品质因数 转化而来 两者的关系 是 l I 景 q 1 0 可 q t q为一牵转饪甚手 它与L尺寸薛关系为 一j 2 一 维普资讯 鼍 墨 墨 呈 旦 2 r B L 式 中 k 肼波导 巾 日 波的截止 波数 它与尺寸 的关系 为 k 盟 r 1 2 计 算 和 t g 8的过程 比较冗 长 容易 出错 还会 遇到解超 越方程 的麻烦 所 以为 了保 证 计 算精度 特别是在 批量 测试时 最好 借助于计 算机来求 解 三 测试系统 图 2是 测试系统的 方框图 这种 采用 腔式 微调 波 长计的 高分 辨度的 测试 系统 其优 点是 波长计与待测腔体的输入信号来自同一个扫频源 用定向耦台器分路而获得的 所 以波长计 的频标信号与待测腔的谐振曲线之间无相对漂移 而外差式测试系统 则存在本振信号与扫 频信号 源之间的相对漂移 亦即频率标记与谐振衄线之间存在着相对漂移 尤其是在要求高 分辨度 的情 况下 若无 晶振 锁相等 稳频措施 这种相对 漂移往往使 得在实 际操 作中发 生难 以应 付 的困难 图 2测 试 系鲩 方 框 图 图 3 是另一种测试系统的方框图 由于有的扫频信号源本身具有窄带扫描和窄带测频动 靛 并有频率信号输出 测试系统可以简化 但测试精度稍差一些 测试步骤与一般谐振腔 方案类似 在此不拟赘述 扫 蒴 信母 谅 罔 3另一种 测 试 系 统方 框 图 图 2的测试系统中有 测试腔 微调波长计和定向耦合器三个元件需要 自制 分别简介 r 于 后 一 23 维普资讯 四 元件研制 1 测 试 腔 采 用螺旋 结构的 波导 腔 是基于 H 模 的场分 布特征 的考虑 在 隔 4所 永的圆柱 坐标 系 中 H 波 的场 分量为 E J l k r As i r z 4 B c o s z f 1 3 7 曰 h E AE i n Z4 B s i n z f 一 1 4 P P 0 7 巩 j 焉一 L r r Ac o s fi Z B c o s Z 1 5 0 其 他方 向的电磁 分量 E r E 和 均 为零 从场分布 方程可 以看 出 管壁上 的 电流是 圆 周 方向 没有纵向电流 z 轴方向 如果用上盖和下底封住一段构成一千谐振腔 那么上 盖 和 下底 内的 电流 也是沿 圆周 方 向的 腔盖 底 与 圆柱壁 之 间无电流流 通 所 以 调 谐活塞 与 管壁之阿无需严密的机械接触 这就为腔体的精密调谐提供了方便条件 所欠缺的是 H 模 在圆柱波导中并不是基模 因此往往 由于交叉干扰模 自干扰模和衙井幞等的干扰而 带来许 多麻烦 对此一般用适当减小腔休悼积的办法来减少这些干扰 但这样会导致 0僵的降低 失去了谐振腔方案的优点 有人 曾 用 改进话塞的设计和改进耦舍机构的设计等方法 来 抑 制不需要的模式 但其效果总不是那么理想 而采用螺旋波导技术 可大幅度提 高 模 式 纯 度 由于绝缘导绂 绕制的螺旋 波导 只允 许 圆周 方向 的电流流通 而切 断 了沿 z轴方 向的纵 向 电流 这就使那些台有纵 向电 流 的 千抗髟响赧大的模式 都受到抑制 但 玩 模族不受影 响 再在 耦台机构上 尽量 保 证主 要激 励 丑m 鼽目此与其他方 法相 比较 千 扰影 响被 大大 地 肖 lj 弱了 术 文主要是介 绍低损耗材 料的测量方 法 所 以元件的 设计 加工 等 内 容 从 略 其结 构 示 意图 如 图 5所 示 直 径 2 3 5 r 1 ff l 质 因数 O 5 3 4 0 0 置 4日托 坐 的 紫 鬣堕 5 j 旋 波导 测 试 腔括 构 图 2 微调 波长计 微 调波 长计 是 以调谐 杆代 替调谐 活塞 图5 由于调 谐杆 的直 径远小 于调谐 活塞 的直径 对场分布的影响甚小而成为微调波长计 它的优点是可 以大幅度 提 高 机 械 分 辨 度 如 从 5 Me 0 0 1 ram 提 高到 0 0 5 Me 0 0 1 ram 因而 特别 适 用于 高 0测试系统 一 24 维普资讯 3 定 向耦合器 定向耦台器 的作闻 是将信号 源的扫频 信 号 分成 两路 并 彼 此隔离 主路信 号送 测试 腔 辅 路信号送微 调波 长计 在本 测试系统 中 两 路信号 互相隔离 2 0 3 0 分 贝就 可 以 了 但 为了使 定向耦台器 也能运 用于 8毫米 扫 频反 射计 系统 我 们按 方向性 为4 O 分 贝的 要 求设计 制造 的 关于方 向性 大 于 4 0分 贝定 向耦台 器的设计 与专 门的测量 方 法 请 参 阅有 关资料 一 盔 壶 重 雌 匹 盎 竖 蕉 煞 图6 螺旋 波导 微 调 波 长计 结构 图 五 试样制备和测试结果 为 了表示本方 案在 2 3研究 所 首先 研 制 成功 我 们把 样 品直径 设 计 成 D 2 3 mm 公 差为 0 0 2 mm 厚度 则由试样 介质 常数 范 围而定 平行度要 在 0 0 1 m 以 内 只 要 此较小 心地 车削加工 这 些尺寸都是不 难达 到 的 样 品加工好后 要 经过 专门的清洁 处 理才能使尉 l 一l 兰 聚四 氟乙 烯 2 0 0 4 1 5 B x l O 一 4 加 强聚 四 氟 乙烯l 2 2 1 2 x l o 帆 璃 l 2 7 9 2 7 2 l O 2 我们 选三种 比较典 型 的材 料 作 了介电 常数 和 损耗角正切 t g 6的测试和计 算 其结果 列 于上 表 六 误差分析 半 1 则 介电常数 的相对误 差 为 等 鼍 鲁 睾 斋 损耗角正切 t 的计算方程为 t g S 1 击 亡 一 击 所 以 t 8 8的相对 误 差为 堕一 a g 曼 P a t g 6 f a t g 8 厂 1 i r t g 3 等 等 等 1 9 一 育 由5 F 1 7 1 9 的一些变量本身娃另一些变量的函数 所以还褥对另一些变量进行偏微分 整个运算过程比较繁锁 我们在3 厘米波段的测试过程中曾 做过此工作 根据第五节试样制 备公差 测试腔调谐 活塞读数 的精度 及微调 波 长计的分 辨度 可 算出官们 的相对 谋差分 别为 25 维普资讯 I 一 等 o 七 结 语 2 0 2 z 近 年来 8 mm 波段 技术 在国外 已达到实用让 阶段 在 国内也 已陆续开展起来 毫米 波 段 的材料介电参数的测量工作是基础研究工作之一 在毫米波技术 中 介质材料的应用 要 比 厘米波段多得多 在传输线方面有各类介质传输线 微带线 鳍线等J 以这些传输线为基础 的各类元器 件 在天 线方 面有 透镜 天线 微 带天线 天 线罩 等 应该 说 本工作对 开发和 提高 毫米波技术 有相当重要的意义 但限于国力 本工作及整个毫米波技术 还没象国外那么 蓬 勃发展 就测试系统中的三个 自制元件来说 还有其独立应用的价值 特别是 8毫米螺旋波导谐 振腔和螺旋波导波长计 尚属国内首次研制成功 并可用于雷达和 测试系统中J而定 向耦台 器则可用于扫频测试系统 这是研究 8毫米宽带元器件和 8毫米各类传输线 的有力工具 本工作 的计算程序 由屠恺元 同志设计和计算 本课题组谨致谢意 参 考 文 献 1 C P Ar o n a ad J w 幢 i ns PI EE Vo 1 1 1 2 8 l 锕 5 p p 1 2 强 一 l 2 5 6 r I 2 D T pa ils I EEE Tr a n o x t f rr Vo 1 M f T 1 2 1 6 1 9 6 4 P P 2 5 p 2 5 2 3 R a yma nd J Co o n I EEE Tr a n o n I a nd M Vo I I M 一 2 3 1 4 1 9 7 4 PP 4 l胡 4 蛆 I l l P Bhar Ha I I Blhl M l l l l met e W i ve Engl n聃 t l and Appl i c at i ons 1 鸥 莹 5 里 高 根 张元 智 侍输 拽拉术 l 9 5 6 昊 富 根 光圩 与 电蜕 1 9 8 8 7 R J Co o k Re u Sd I ns t Vo 1 4 4 2 1 9 7 3 P P 1 5 1 6 9 英国 电信公 司将 建 造先进 的光纤 网络 英 国 电信公 司宣 称 该 盐 司 计划 建 造一 个 供 本 国商 业通 信 用 的技 术 先 进 的光 纤 网络 该系 统 将 被 称作 F A C S C 灵 活通路系统 网络将采用光纤而不用电缆 这样可提供大量的专用线路 开展宽带宽服务 英 国电信公司已选定S T C P L C No r t h e T u T e l e c o m公司为网络的主要供 货商 合同的价值为1 7 亿 善元 元件的交货从l g 8 9 年开始 预期网络 于9 0 年代中期竣工 N o r t h e r n I f c o m公司和 T c公司在 美国 和英国组建了一支2 0 0 人的队伍 从事元件和 网络 的研制 据 No r t h e r n T e l e c o m公 司 国防贸 易 部