《透波材料高温微波介电性能测试方法-准光腔法》

1透波材料高温微波介电性能测试方法—准光腔法本文件描述了采用准光学谐振腔法（以下简称“准光腔法”）测试透波材料高温微波介电性能测试的测试原理、仪器设备、试样、测试条件、测试步骤、结果计算和测试报告等。本文件适用于采用准光腔法测试均匀、各向同性透波材料或与电场平行平面内可等效为介电性能均匀的透波材料高温微波频率范围内的介电性能。本文件适用的测试范围如下：a）温度范围：室温～1600℃;b）频率范围：18GHz～40GHz；c）相对介电常数范围：1～10；d）损耗角正切范围：5×10-4～2×10-2。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2900.86电工术语声学和电声学GB/T9534毫米波频段固体电介质材料介电特性测试方法准光腔法GB/T11313.201射频连接器第201部分：电气试验方法反射系数和电压驻波比GB/T11313.202射频连接器第202部分：电气试验方法插入损耗GB/T15313激光术语GB/T46583微波介质陶瓷介电性能测试方法开腔法、闭腔法JJF2325固体电介质材料复介电常数测量方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。GB/T2900.86、GB/T9534、GB/T11313.201、GB/T11313.202、GB/T11464、GB/T15313、GB/T46583和JJF2325界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1透波材料wave-transparentmaterials在特定频段（如微波频段）内能够让电磁波以低损耗、高透过率穿过的功能电介质材料，其对目标频段电磁波具有较低的反射、吸收和散射作用，可保证电磁波的有效传输。23.2准光学谐振腔quasi-opticalresonantcavity一种基于光学法布里-珀罗干涉仪原理，可工作于微波频段的开放式结构电磁谐振腔，简称准光腔。通常分为平凹式准光腔和双凹式准光腔。3.3平凹式准光腔plano-concavequasi-opticalcavity由一块平面反射镜和一块凹面反射镜（通常为凹球面镜）按一定间距组合而成的光学谐振腔结构。在平凹式准光腔结构中，平面反射镜提供一个基准反射面，凹面反射镜则通过其曲面特性对电磁波进行聚焦调控，使电磁波在两反射镜之间来回反射，形成稳定谐振的谐振模式。一种在自由空间中传播，且在垂直于传播方向的任意平面上，电磁场的场强分布呈高斯函数的电磁波束，其核心特征是能量集中在中心并向外逐渐衰减。4测试原理基于平凹式准光腔结构，在某一谐振模式TEM00p（p为正整数）下，曲率半径为R、腔高为L的准光腔空腔谐振频率为f0，无载品质因数为Q0，如图1a）所示。在准光腔底部平面镜上放置直径为2a、厚度为d的圆片状试样后，准光腔谐振频率降低为fs，无载品质因数降低为Qs，如图1b）所示。根据放入试样前后准光腔的谐振频率和无载品质因数，可以分别计算出试样的相对介电常数εr和损耗角正切tanδ。3图1准光腔法测试原理示意图5仪器设备5.1测试系统组成5.1.1高温准光腔法介电性能测试系统的主要组成如图2所示，由矢量网络分析仪、高温准光腔、微波传输装置、加热与温度测控装置、气氛控制装置、水冷循环装置、计算机和测控软件等共同组成。5.1.2高温准光腔法介电性能测试系统应定期使用熔融石英或单晶蓝宝石进行校准或核查验证。4图2高温准光腔法介电性能测试系统主要组成示意图5.2矢量网络分析仪矢量网络分析仪应满足以下条件：a）校准检定合格；b）工作频率范围覆盖所需测试频率范围；c）端口数不少于2个；d）频率的相对不确定度不大于5×10-6；e）传输跟踪不确定度不大于0.3dB；f）最小分辨带宽不大于10Hz；g）动态范围不小于90dB。5.3高温准光腔5.3.1高温准光腔包括平面镜、凹球面镜及固定支架。腔体顶部通过环耦合与微波传输装置连接。平面镜即试样台，固定在气氛控制装置中的密封腔底座上，为主要加热区域，凹球面镜宜保持水冷恒温。5.3.2高温准光腔应安装牢固，不应受抽真空、置换气体或加热等影响发生位移。5.3.3平面镜和凹球面镜的技术要求和加工要求按照GB/T9534的规定执行。55.3.4平面镜材料宜选用耐高温、抗氧化、耐腐蚀的材料。1200℃以下宜选用铂或铂铑合金，也可选用表面经抗氧化处理的镍基高温合金；1200℃~1600℃宜选用铂铑合金或金属铱，也可选用内外表面镀铱处理的钼、钽等难熔金属。5.3.5凹球面镜宜采用导热、导电良好的黄铜制作，凹球面可镀银处理，内设冷却循环水路。5.3.6平面镜和凹球面镜同轴安装，平面镜与凹球面镜的同轴度应不大于0.1mm，且中心轴失调角应5.3.7室温～1600℃范围内，高温准光腔空腔谐振模式的品质因数Q0应不小于20000。谐振频率点插入损耗（一般为S21的测量dB值的相反数）应在40dB～50dB之间。5.4微波传输装置5.4.1微波传输装置包括同轴电缆和同轴转换器，其工作频率应覆盖测试频率。5.4.2同轴电缆的选用宜满足JJF2325的相关要求，采用覆盖测试频率的同轴电缆。5.4.3微波传输装置的电压驻波比应不大于1.5，总插入损耗应不大于5dB。5.5加热与温度控制装置5.5.1加热与温度控制装置应可实现对试样的加热、温度测量与控制。5.5.2加热与温度控制装置一般包含加热部件和测控温模块，测控温模块由测温传感器、控温仪表和功率调节器组成。5.5.3加热部件的加热方式可选用感应加热或电阻加热，加热区域应集中在试样台区域。当采用感应加热时，需评估加热线圈、加热电源等对微波测量通道的电磁干扰程度，必要时应采取接地、屏蔽、滤波或空间隔离措施，以确保无电磁兼容问题。5.5.4试样台恒温状态下温度波动宜不大于±3℃。5.5.5测温传感器宜选用温度分辨率不大于0.1℃的热电偶，温度测量端应置于试样台内并靠近试样中心，以避免对谐振模式产生干扰。5.6气氛控制装置5.6.1气氛控制装置应可实现高温准光腔内的气氛调节和气压控制。5.6.2气氛控制装置由密封腔、气压测控装置、真空泵、气源等组成，应具备真空、惰性气氛或指定气氛环境的控制与调节功能。5.7计算机与测控软件计算机配置的测控软件宜具备以下功能：a）具有温度自动测控功能；b）具有对矢量网络分析仪程控功能，可设置其扫频范围、扫频点数、中频带宽和激励功率，能够自动搜索谐振模式谐振峰并读取其谐振频率、品质因数和谐振频点的传输系数；c）具有介电性能自动计算功能，能够按第9章的计算公式，计算得到目标温度和目标频率下试样的相对介电常数和损耗角正切；d）具有数据记录保存、二次调用和重新分析等功能。66.1试样形状和尺寸6.1.1试样形状试样形状见图3。单位为毫米图3准光腔法试样形状6.1.2试样尺寸6.1.2.1试样半径a应大于3倍高斯波束束腰半径w0,u且不大于平面镜半径a2。对于18GHz～40GHz，推荐试样直径2a为50.5mm±0.1mm。6.1.2.2试样厚度d宜根据相对介电常数与损耗角正切的预估范围，建议采用表1给出的推荐值。表1试样厚度d推荐值6.2试样其他要求6.2.1试样应无目视可见的裂纹、气泡、划痕、分层等缺陷。试样表面应平整，无杂质附着。6.2.2测试过程中试样不应发生化学反应，不应有翘曲、软化、塌陷和气化等明显变化。6.2.3试样数量宜不少于3个。测试环境温度在18℃~28℃为宜，相对湿度在15%～75%为宜。78测试步骤8.1测试准备8.1.1矢量网络分析仪开机预热，时间宜不少于30min。8.1.2进行试样表面清洁和干燥处理，处理条件以不影响试样的本征成分、不发生物理化学变化为宜。处理后试样表面应无明显污渍、油污及水分残留，且保持原有表面形貌不变。8.1.3在试样的中心及四周相对均布的5个部位分别进行厚度测量，取算术平均值，精确到0.01mm。8.2空腔校准8.2.1空腔状态下，对密封腔抽真空至真空度小于5Pa。若需要指定气氛，则在抽真空后充入指定气体，并在测试过程中保持稳定的气流和气压。8.2.2试样台加热到目标温度后进行恒温，恒温时间宜不少于3min。8.2.3设置测试频率范围、目标温度、升温速率和恒温时间等参数，开启水冷循环装置。8.2.4运行校准程序进行空腔测试，记录测试频率范围内谐振模式的谐振频率f0、有载品质因数Ql0和谐振频率点f0对应的传输系数幅值S210。8.2.5确认测试频率范围内谐振模式的谐振峰搜索正确，耦合状态满足测试要求。8.2.6根据相邻谐振模式的谐振频率计算目标温度下高温准光腔的等效腔高和试样厚度。8.3试样测试8.3.1放入试样，重复执行8.2.1的步骤，气氛种类和气压与8.2.1相同。8.3.2设置频率范围、目标温度、升温速率、恒温时间、试样编号和试样厚度等测试条件和参数，开启水冷循环装置。8.3.3重复执行8.2.3的步骤。8.3.4运行测试程序进行试样测试，记录测试频率范围内谐振模式的谐振频率fs、有载品质因数Qls和谐振频率点fs对应的传输系数幅值lS21ls。8.3.5重复执行8.2.5的步骤。8.3.6按第9章计算试样的相对介电常数和损耗角正切。9结果计算9.1高温准光腔不同温度等效尺寸计算由目标温度的空腔TEM00p模式的谐振频率，可按公式（1）反算出等效腔高。L′——高温准光腔TEM00p模式及目标温度下的等效腔高，单位为毫米（mmp——TEM00p模式的模式数；c——真空光速，2.99792458×1011mm/s；8π——圆周率，3.14159；R——高温准光腔凹球面镜的曲率半径，单位为毫米（mmf0——空腔下高温准光腔的谐振频率，单位为赫兹（Hz）。9.2相对介电常数计算谐振模式下试样的相对介电常数εr按公式（2）～公式（7）计算，保留两位小数。tannkd−ΦT)=−tanIktL′−d)−ΦD k=2πfs/c……………（3）n=εr/(1+g)…………（4）,ΦT=arctan,εr——试样的相对介电常数；n——试样的折射率；k——工作模式的角波数，单位为弧度每毫米（rad/mm）；fs——加载试样后高温准光腔的谐振频率，单位为赫兹（Hzg——修正因子，-0.0066；ΦT——试样引入的相位修正量，单位为弧度（rad）；ΦD——扣除试样影响后，由腔内空气段和凹球面镜反射所贡献的净相位修正量，单位为弧度w0,u——高斯波束束腰半径，单位为毫米（mmd——试样厚度，单位为毫米（mm），当试样厚度热膨胀量超过原始厚度的±1%时，需进行厚度修正，按公式（8）计算。d(T)=d(T0)l1+αm(T−T0)l……（8）T——测试温度，单位为摄氏度(℃);T0——初始温度，单位为摄氏度(℃);d(T)——测试温度T下的试样厚度，单位为毫米（mmd(T0)——初始温度T0下的试样厚度，单位为毫米（mm）；αm——试样在初始温度T0至测试温度T范围的平均线膨胀系数，单位为每摄氏度(℃-1）。99.3损耗角正切计算谐振模式下试样的损耗角正切tanδ按公式（9）～公式（11）进行计算，结果采用科学计数法表示，保留两位有效位数。tanδ——试样的损耗角正切；Qe——由试样的介质损耗引入的功率损耗所对应的品质因数；Δ——用于简化公式的符号；Qs——加载试样后高温准光腔的无载品质因数；Q0——空腔下高温准光腔的无载品质因数。Qs和Q0分别由各自对应的有