一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔

1.本发明属于材料介电性能测试技术领域，尤其涉及一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔。


背景技术：

2.随着电子行业的高速发展，电子器件的集成度不断提高，集成度的增加直接影响到器件的互连线密度和特征尺寸，密度增加，线宽减少会使得阻容耦合增大，造成传输延时增大。由于材料的电容与介电常数直接相关，因此为了减小电路集成所带来的负面影响，改善传输延时和功率损耗，需要使用极低介电常数的材料。准确测试超低介电常数材料在微波频段的介电性能，是电路设计之初非常关键的一个环节。
3.对于低介低损材料，当前在微波频段所采用的测试方法大致有两种，分别为分离电介质谐振器(split post dielectric resonator,spdr)法和介质谐振器法，两种方法对于超低介电常数发泡材料介电性能测试都存在一定缺陷。spdr法的测试夹具对样品的形态要求较高，往往只能测试片状样品。对于发泡材料来说，样品的加工难度高，难以制成厚度低于0.6mm的薄片；介质谐振器法利用介质本身的谐振来进行测试，但超临界发泡材料的介电常数接近空气，利用这种测试方法谐振峰难以确定，此方法不再适用。
4.综上所述，针对微波频段内现有超低介电常数材料介电性能测试技术的不足，本发明提供了一种微波频段下超低介电常数材料介电性能的精确测试方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，圆柱形谐振腔由腔体上端盖，谐振腔体和耦合装置三部分结构构成；所述的上端盖为圆角矩形金属平板，端盖上对称分布了四个螺孔及缝隙；谐振腔体外壳为圆角正方体，内腔为圆柱体，侧壁对称分布了一对天线耦合孔，用于耦合天线置入；所述的圆柱形谐振腔的测试模式为te011，环形电场方向垂直于z轴；测试时将样品放置于圆柱体内腔轴线处，上端盖与谐振腔体通过螺栓连接固定；测试时连接网络分析仪与耦合天线，调节耦合天线，在插损接近-40db时，记录放入样品前后谐振峰的谐振频率和品质因数，利用微扰法计算出样品的介电常数与损耗角正切。
8.进一步地，端盖与谐振腔体表面采用镀金或镀银技术。
9.进一步地，圆柱型谐振腔上端盖与腔体四角分别均匀分布四个螺孔，测试时使用螺栓连接腔体与端盖，防止电磁波溢出，降低空气隙的影响。
10.进一步地，以上端盖中心为圆心，上端盖环形对称分布四条宽度为d缝隙，其外径等于腔体内径，缝宽d的范围为1mm～3mm。此缝隙不影响te模式，具有抑制杂模的作用。
11.进一步地，圆柱体内腔的直径为a，高为b，一般地，b/a的取值范围为1/3～2/3，a和
b的具体取值大小由谐振腔的设计频率决定；1ghz～40ghz腔体的a范围在7mm～300mm，b范围在2.3mm～200mm。
12.进一步地，谐振腔侧壁对称分布了一对耦合孔，位于内腔侧壁距离底面1/3b～1/2b处，用于网络分析仪馈入激励信号，并采集空腔和放置样品后的谐振参数。
13.进一步地，使用环形天线耦合信号，腔体两侧的天线用耦合调节支架固定，保证腔体两端的天线处于同一直线。测试时，通过调节耦合支架保证两侧的天线相对内腔轴线处于对称位置。
14.进一步地，待测样品材料要求为体积范围为腔体体积的5/10～8/10的圆柱体样品。
15.进一步地，测试时，首先调节耦合天线的相对位置，在插损接近-40db时记录空腔的谐振参数；将样品放入内腔轴线位置后，继续调节耦合天线，在插损接近-40db时记录放入样品后的谐振参数，利用微扰法公式计算样品的介电常数和损耗角正切。
16.进一步地，待测材料的相对介电常数适用范围为1.01～2，损耗角正切适用范围为0.00001～0.01。
17.本发明的有益效果在于：
18.本发明可用于介电常数在1.01～2范围内的超低介电常数发泡材料的介电性能测量。
19.本方法提出的圆柱形腔体结构简单，便于操作，品质因数高，可适用于大尺寸圆柱状样品。
20.与spdr法相比，本方法克服了spdr无法对柱状样品进行测试的缺点，减小了测试频率对样品尺寸的限制，降低了测试样品的加工难度。
21.相比于介质谐振器法，本方法的谐振峰接近空腔的谐振频率，便于测试人员快速准确地找到相应的谐振峰。
22.相较于其他测试超低介电常数多孔材料介电性能测试方法，本方法测试流程更为简洁，测试精度更高，能够实现微波甚至毫米波频段下超低介电常数材料介电性能的高精度测试。
附图说明
23.图1为圆柱谐振腔腔体的俯视剖面图；
24.图2为圆柱谐振腔腔体的侧视剖面图；
25.图3为圆柱谐振腔上端盖的俯视剖面图；
26.图4为测试系统示意图；
27.图5为10ghz圆柱谐振腔侧视剖面图；
28.图6为20ghz圆柱谐振腔侧视剖面图；
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
30.一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，具体地，本发明使用的测试夹具为圆柱谐振腔，谐振腔体外壳为圆角正方体，内腔为圆柱体，侧壁对称分布了一对
天线耦合孔，腔体俯视剖面图和侧视剖面图分别如图1，图2所示；腔体上端盖对称分布了四个螺孔及缝隙，俯视剖面图如图3所示；该方法搭建的测试系统如图4所示，测试时样品放置于圆柱形内腔轴线处，上端盖与谐振腔体通过螺栓连接固定，网络分析仪与耦合天线通过同轴电缆连接。
31.实施例1
32.本实施例提供了测试频率为10ghz的一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，具体地，腔体的侧面剖面图如图5所示。本发明的主要测试仪器为10g圆柱形谐振腔和网络分析仪，待测材料为密度ρ＝154kg/m3的超临界发泡材料，该材料的体积为4618.61mm3，介电常数理论计算结果为1.22，损耗角正切理论计算结果为1.6
×
10-3
。
33.10ghz圆柱谐振腔的内腔高b＝30mm，底面直径a＝54mm；测试过程如下：连接网络分析仪与耦合天线，调整耦合天线的相对位置，保证腔体两侧的天线基于同轴线对称分布，当插损约为-40db时，记录空腔的谐振频率10.188ghz和品质因数26479；接着将样品放入腔体的中心轴线位置，利用网络分析仪找到谐振峰，调整耦合天线的相对位置，当插损接近-40db时，记录加载样品后的谐振频率10.078ghz和品质因数4459。
34.在已知样品的体积v＝4618.61mm3以及加载样品前后谐振腔的品质因数和谐振频率后，计算得到材料的介电常数和损耗角正切分别为1.2146和1.468
×
10-3
，对比理论计算结果，本系统对发泡材料的测试结果在标准范围内，测试结果可信。
35.实施例2
36.本实施例提供了测试频率为20ghz的一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，具体地，腔体的侧面剖面图如图6所示。本方法的主要测试仪器为20g圆柱形谐振腔和网络分析仪，待测材料为密度ρ＝75kg/m3的超临界发泡材料，该材料的体积为2417.79mm3，介电常数理论计算结果为1.07，损耗角正切理论计算结果为3.4
×
10-5
。
37.20ghz圆柱谐振腔的内腔高b＝18mm，底面直径a＝31mm；测试过程如下：连接网络分析仪与耦合天线，调整耦合天线的相对位置，保证腔体两侧的天线基于同轴线对称分布，当插损约为-40db时，记录空腔的谐振频率20.0427ghz和品质因数16540。下一步将样品放入腔体的中心轴线位置，利用网络分析仪找到谐振峰，调整耦合天线的相对位置，当插损接近-40db时，记录加载样品后的谐振频率19.6483ghz和品质因数15002。
38.在已知样品的体积v＝2417.79mm3以及加载样品前后谐振腔的品质因数和谐振频率后，计算得到材料的介电常数和损耗角正切分别为1.0735和1.89
×
10-4
，对比理论计算结果，本系统对发泡材料的测试结果在标准范围内，测试结果可信。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任意特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：
1.一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于：圆柱形谐振腔由腔体上端盖，谐振腔体和耦合装置三部分结构构成；所述的上端盖为圆角矩形金属平板，端盖上对称分布了四个螺孔及缝隙；谐振腔体外壳为圆角正方体，内腔为圆柱体，侧壁对称分布了一对天线耦合孔，用于耦合天线置入；所述的圆柱形谐振腔的测试模式为te
011
，环形电场方向垂直于z轴；测试时将样品放置于圆柱体内腔轴线处，上端盖与谐振腔体通过螺栓连接固定；测试时连接网络分析仪与耦合天线，调节耦合天线，在插损接近-40db时，记录放入样品前后谐振峰的谐振频率和品质因数，利用微扰法计算出样品的介电常数与损耗角正切。2.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，端盖与谐振腔体表面采用镀金或镀银技术。3.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，圆柱型谐振腔上端盖与腔体四角分别均匀分布四个螺孔，测试时使用螺栓连接腔体与端盖，防止电磁波溢出，降低空气隙的影响。4.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，以上端盖中心为圆心，上端盖环形对称分布四条宽度为d缝隙，其外径等于腔体内径，缝宽d的范围为1mm～3mm，此缝隙不影响te模式，具有抑制杂模的作用。5.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，圆柱体内腔的直径为a，高为b，一般地，b/a的取值范围为1/3～2/3，a和b的具体取值大小由谐振腔的设计频率决定；1ghz～40ghz腔体的a范围在7mm～300mm，b范围在2.3mm～200mm。6.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，谐振腔侧壁对称分布了一对耦合孔，位于内腔侧壁距离底面1/3b～1/2b处，用于网络分析仪馈入激励信号，并采集空腔和放置样品后的谐振参数。7.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，使用环形天线耦合信号，腔体两侧的天线用耦合调节支架固定，保证腔体两端的天线处于同一直线，测试时，通过调节耦合支架保证两侧的天线相对内腔轴线处于对称位置。8.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，待测样品材料要求为体积范围为腔体体积的5/10～8/10的圆柱体样品。9.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，测试时，首先调节耦合天线的相对位置，在插损接近-40db时记录空腔的谐振参数；将样品放入内腔轴线位置后，继续调节耦合天线，在插损接近-40db时记录放入样品后的谐振参数，利用微扰法公式计算样品的介电常数和损耗角正切。10.如权利要求1所述的测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，其特征在于，待测材料的相对介电常数适用范围为1.01～2，损耗角正切适用范围为0.00001～0.01。

技术总结
本发明公开了一种测试超低介电常数发泡材料微波介电性能的谐振腔，本发明采用的测试夹具为TE


技术研发人员：向锋 张萌宇 蒲天长 王敏 史志华
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/5