【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料介电常数和厚度测量，具体涉及一种基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法。
技术介绍
1、微波电介质材料已广泛应用于通信、雷达、生物医学、化工工业等领域。随着5g毫米波通信等
的不断发展，通信频率已逐渐从微波频段发展至毫米波频段，由于电介质材料介电参数的变化会影响电子设备性能，使得介电性能测试变得尤其重要。
2、材料电磁参数测试方法按照原理可分为谐振法和网络参数法。网络参数法在宽频带内扫频测量，将待测样品及其传感器视为单口或双口网络，通过测量网络参数计算得到介质材料的电磁参数。谐振法仅能进行点频测量，通过将待测样品置于谐振腔中，利用有无样品放置时腔内电磁场特性(品质因数及谐振频率)的变化计算得到介质材料的电磁参数。网络参数法主要用于测试中高损耗材料，对应低损耗材料的测试能力有限；谐振法通常采用小信号耦合，当材料损耗超过一定数值时因谐振参数微弱无法进行检测，因此谐振法通常用于测量谐振时能量集中的低损耗材料，损耗测试分辨率高，具有高精度测试的特点。
3、电子科技大学的许栩等人采用分离介质谐振器测量薄膜材料的介电常数，如图1所示。采用波导场理论求解待测材料的介电常数，测量过程中选取te013谐振模式，将待测介质处于电场最大处，依据待测介质区域和介质谐振器区域场方程和边界条件，代入测量得到的待测样品厚度和介质谐振器高度和谐振频率获取薄膜材料的介电常数。
4、华北电力大学的李帅等人使用矩形谐振腔测量水膜厚度，如图2所示。根据介质微扰原理，利用谐振腔内壁附着水膜时等效于改变了腔内部
5、华北电力大学的严晓哲等人基于低频同轴谐振腔建立了水膜厚度测量数学模型，设计了用于测量介电常数以及厚度的水膜厚度测量传感器，如图3所示。由于介电常数只与频率有关，当水膜厚度发生变化时，会造成穿过水膜的电磁波损耗变化，从而引起谐振腔谐振频率变化，所以在已知介电常数的情况下，通过测量谐振腔的谐振频率值即可间接得到水膜的厚度。
6、上述现有技术在测量介电常数时均需要准确得知材料厚度，而材料厚度的测量存在不准确性，而现有技术中的微波测厚需要已知材料介电常数，再对材料厚度反向求解。
7、因此，上述现有技术中无法实现对材料介电常数和材料厚度的同时测量，亟需提出一种基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，同时测量材料的厚度和介电常数，降低材料固有属性的测量成本，增加材料属性测量的准确度。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，基于谐振腔一腔多模的特性，实现了对待测材料介电常数和材料厚度的同时获取，有效提高了材料介电的测量精度。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，具体包括以下步骤：
4、步骤1，利用分离式介质谐振器对待测材料进行测量，将待测材料置于分离式介质谐振器上介质柱和下介质柱的中心位置处，使得待测材料位于电场最大处，测量得到待测材料和各介质柱内以及空气中的场分布；
5、步骤2，获取分离式介质谐振器与待测材料之间的边界关系；
6、步骤3，基于待测材料和各介质柱内以及空气中的场分布，结合分离式介质谐振器与待测材料之间的边界关系，确定待测材料的传播常数和介质中的波数，求解得到待测材料的介电常数。
7、优选地，所述分离式介质谐振器包括上介质柱、下介质柱和短路板。
8、优选地，所述步骤1中，分离式介质谐振器的谐振模式为te0np谐振模式。
9、优选地，所述步骤1中，待测材料、上介质柱和下介质柱中的场分布为：
10、
11、式中，i为介质编号，i＝1时表示待测材料，i＝2时表示介质柱；z为波沿介质柱垂直方向传播的距离，r为波沿介质柱半径方向传播的距离；hzi为介质i中沿垂直方向上的磁场分布，hri为介质i中沿半径方向上的磁场分布，为介质i中的旋向电场分布；ai为常数；j0为第一类贝塞尔函数，用于表征介质中的驻波场解；j'0为第一类贝塞尔函数的导数；k1为介质中的波数；βi为传播常数，当i＝1时表示待测材料的传播常数β1，当i＝2时表示介质柱的传播常数β2；j为复数单位，ω为角频率，μ为磁导率；
12、空气中的场分布为：
13、
14、式中，hz3为空气中沿垂直方向上的磁场分布，hr3为空气中沿半径方向上的磁场分布，为空气中的电场分布；a3为常数；k0为第二类贝塞尔函数，用于表征空气中衰减场解系数类型；k'0为第二类贝塞尔函数的导数；k2为空气中的波数。
15、优选地，所述步骤2中，分离式介质谐振器中上介质柱与下介质柱所处区域为介质区域，获取分离式介质谐振器中介质柱与短路板、介质区域与空气以及介质柱与待测材料之间的边界条件；
16、所述介质柱与短路板边界处，电场为零，得到：
17、
18、式中，l为介质柱与待测材料之间的距离；d为待测材料的厚度；p为沿z方向变化的半波数，p为奇数；为介质柱中的旋向电场；
19、所述介质区域与空气边界处，r＝a，电场与沿边界切向的磁场连续，得到：
20、
21、从而得到：
22、j'0(k1a)＝0 (5)
23、式中，a为介质柱的半径；为空气中的旋向电场；hr2为介质柱沿半径方向上的磁场，hr3为空气沿半径方向上的磁场；
24、所述介质柱与待测材料边界处，横向场连续，hr1＝hr2，得到：
25、
26、式中，为待测材料中的旋向电场，hr1为待测材料沿半径方向上的磁场。
27、优选地，所述步骤3中，基于介质柱与短路板边界处以及介质柱与待测材料边界处的边界条件，利用公式(3)和公式(6)计算待测材料的传播常数β1；
28、再基于介质区域与空气边界处的边界条件，利用公式(4)和第一类贝塞尔函数的根k0计算介质中的波数，计算得到待测材料的介电常数，如公式(7)所示：
29、
30、其中，
31、
32、式中，εr为待测材料的介电常数，f0为频率，c为光速。
33、优选地，当待测材料厚度d未知时，更换分离式介质谐振器的谐振模式进行测量，得到不同谐振模式下待测材料、上介质柱和下介质柱中的场分布以及空气中的场分布，结合te0np谐振模式下的场分布，计算待测材料的介电常数，如公式(9)所示：
34本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述分离式介质谐振器包括上介质柱、下介质柱和短路板。
3.根据权利要求1所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤1中，分离式介质谐振器的谐振模式为TE0np谐振模式。
4.根据权利要求1所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤1中，待测材料、上介质柱和下介质柱中的场分布为：
5.根据权利要求4所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤2中，分离式介质谐振器中上介质柱与下介质柱所处区域为介质区域，获取分离式介质谐振器中介质柱与短路板、介质区域与空气以及介质柱与待测材料之间的边界条件；
6.根据权利要求5所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤3中，基于介质柱与短路板边界处以及介质柱与待测材料边界处的边界条件，利用公式(3)和公式(6)计算待测材料的传播常数β
7.根据权利要求6所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，当待测材料厚度d未知时，更换分离式介质谐振器的谐振模式进行测量，得到不同谐振模式下待测材料、上介质柱和下介质柱中的场分布以及空气中的场分布，结合TE0np谐振模式下的场分布，计算待测材料的介电常数，如公式(9)所示：
...【技术特征摘要】
1.一种基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述分离式介质谐振器包括上介质柱、下介质柱和短路板。
3.根据权利要求1所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤1中，分离式介质谐振器的谐振模式为te0np谐振模式。
4.根据权利要求1所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤1中，待测材料、上介质柱和下介质柱中的场分布为：
5.根据权利要求4所述的基于谐振腔法的材料介电常数和厚度测量方法，其特征在于，所述步骤2中，分离式介质谐振器中上介...
【专利技术属性】
技术研发人员：柳森，邹翘，赵锐，王亚海，江子奇，
申请(专利权)人：中电科思仪科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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