阅读说明：本技术 一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法及系统 (Coaxial resonant cavity calibration method and system based on multiple reference samples ) 是由 胡大海 江子奇 常庆功 赵锐 王亚海 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法,及系统,通过连接电缆连接矢量网络分析仪和同轴谐振腔,激励腔体得到谐振曲线,得到空腔的谐振频率和品质因数；加载介电常数一定的第一参考样品,记录谐振频率相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；加载另一介电常数为的第二参考样品,记录谐振频率相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；根据介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系,求解常量,完成校准常量的求解；加载待测样品,记录谐振频率相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量,结合校准常量,求得待测样品的介电常数和损耗角正切,完成同轴谐振腔校准。(The invention provides a method and a system for calibrating a coaxial resonant cavity based on multiple reference samples, wherein a vector network analyzer and the coaxial resonant cavity are connected through a connecting cable, a cavity is excited to obtain a resonance curve, and the resonance frequency and the quality factor of the cavity are obtained; loading a first reference sample with a certain dielectric constant, and recording the variation of the resonant frequency relative to the resonant frequency and the quality factor of the cavity; loading another second reference sample with the dielectric constant of the second reference sample, and recording the variation of the resonant frequency relative to the resonant frequency and the quality factor of the cavity; solving the constant according to the relation among the dielectric constant, the resonance frequency and the quality factor variable quantity, and completing the solution of the calibration constant; and loading a sample to be tested, recording the variation of the resonant frequency relative to the resonant frequency and the quality factor of the cavity, and combining the calibration constant to obtain the dielectric constant and the loss tangent of the sample to be tested so as to finish the calibration of the coaxial resonant cavity.)

一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法及系统

技术领域

本公开属于，具体涉及一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

微波介质材料作为电磁波传输媒质已广泛地应用于微波的各个领域中，如微波通信、卫星通信、导弹制导、电子对抗、雷达导航、遥感、遥测等系统已大量使用微波介质材料。介质材料的介电常数表征了材料与电磁场的相互作用。介电常数测试随着介质材料的广泛应用具有越来越重要的意义。基于同轴谐振腔的材料介电常数测试方法，与其他方法相比具有测试精度高、一次能测试多个频点、测试方便等优点。

同轴谐振腔材料测试方法的基本原理是利用介质材料加载前后的谐振频率变化反演材料的介电常数，校准方法是同轴谐振腔实现高精度测试的关键。但据发明人了解，目前基于同轴谐振腔终端电容等效原理的基础上推导出介电常数反演公式，对于同轴谐振腔来说，样品区位于开路端面外，该区域的电磁场属于辐射场，要精确的写出电磁场场表达式，存在比较大困难，测试精度较低，尤其在高频测试下，电容等效法误差较大，导致采用该校准技术的介电常数测试精度达不到2％。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法及系统，本公开采用准静态等效原理，在不增加任何硬件成本的前提下，利用多种参考样品多次测试，实现同轴谐振腔精确校准，提高介电常数提取精度。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法，包括以下步骤：

通过连接电缆连接矢量网络分析仪和同轴谐振腔，激励腔体得到谐振曲线，得到空腔的谐振频率和品质因数；

加载介电常数一定的第一参考样品，记录谐振频率相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

加载另一介电常数为的第二参考样品，记录谐振频率相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

根据介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系，求解常量，完成校准常量的求解；

加载待测样品，记录谐振频率相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量，结合校准常量，求得待测样品的介电常数和损耗角正切，完成同轴谐振腔校准。

一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法，包括以下步骤：

接收同轴谐振腔测得的空腔的谐振频率和品质因数；

接收介电常数已知第一参考样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

接收介电常数已知第二参考样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

根据介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系，求解常量，完成校准常量的求解；

接收待测样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量，结合校准常量，求得待测样品的介电常数和损耗角正切，完成同轴谐振腔校准。

作为进一步的限定，介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系为：

其中，f₀表示空腔谐振频率，Δf表示加载被测样品之后谐振频率偏移量，表示加载样品后品质因数偏移量，ε′表示介电常数实部，ε″表示介电常数虚部，R_s表示腔体金属表面阻抗，A、Γ、G表示与腔体开路端的缝隙、样品与开路端的缝隙有关的常量。

作为进一步的限定，参考样品的数量还可以增加。

作为进一步的限定，参考样品的纯度大于设定值。参考样品的纯度越高、复介电常数越精确，校准效果越好。

作为进一步的限定，参考样品的复介电常数与待测样品的复介电常数之差小于设定值。待测样品复介电常数越接近第一参考样品和第二参考样品，校准效果越好，介电常数就测试越精确。

一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准系统，包括：

同轴谐振腔，用于承载样品；

矢量网络分析仪，用于产生激励信号并接收同轴谐振腔的返回信号；

处理器，被配置为：接收同轴谐振腔测得的空腔的谐振频率和品质因数；

接收介电常数已知第一参考样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

接收介电常数已知第二参考样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

根据介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系，求解常量，完成校准常量的求解；

接收待测样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量，结合校准常量，求得待测样品的介电常数和损耗角正切，完成同轴谐振腔校准。

所述处理器又包括：

接收参数模块，被配置为接收介电常数已知第一参考样品、第二参考样品或/和待测样品的相对于空腔的谐振频率和品质因数的变化量；

计算模块，被配置为根据介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系，求解常量，完成校准常量的求解；结合校准常量，求得待测样品的介电常数和损耗角正切，完成同轴谐振腔校准。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开从准静态模型出发进行校准，校准后的介电常数测试精度更高，能够达到1％；

本公开适用于利用矢量网络分析仪和标量网络分析仪搭建的谐振腔材料测试系统；

本公开可适用于同轴谐振腔多个谐振频点的校准。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是同轴谐振腔法材料测试场景示意图。

具体实施方式

：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

图1所示为典型的同轴谐振腔法材料测试场景示意图，利用矢量网络分析仪进行信号的产生与接收，激励谐振腔产生谐振曲线，谐振曲线包含当前测试信号的谐振频率和品质因数，根据待测样品放置前后谐振频率和品质因数的变化反演介电常数和损耗角正切，找到谐振频率、品质因数变换与待测样品的介电常数、损耗角正切的关机即完成了同轴谐振腔校准，因此校准方法与同轴谐振腔反演算法密切相关。

传统方法采用电容等效原理，把同轴谐振腔开路端看成终端加载电容的开路器，经过推导后，介电常数求解公式可以表述为：

其中，Y₀表示空腔时，同轴谐振腔的特性导纳，ω₁为放置待测样品后与谐振频率对应的角频率，β₁为放置样品之后的相位常数，C_f为同轴谐振腔开路端同轴波导内边缘电容，与同轴谐振腔的尺寸及其内部填充的介质有关，C₀表示静态边缘电容为定值，L_eff谐振腔的等效腔长。

从式(1)中可以看出，想要求解介电常数ε_r的指，必须知道公式中三个待测参数C₀、C_f、L_eff的值，采用的方法是同轴谐振腔对已知介电常数的三种不同样品在工作频段内分别进行测量，并得到各个工作模式的谐振频率，将三种样品的谐振频率以及介电常数带入式(1)形成三个关于待测参数C₀、C_f、L_eff的方程，联立这三个方程进行求解即可，现有技术是在同轴谐振腔终端电容等效原理的基础上推导出介电常数反演公式的，因此采用该校准技术后，测试精度较低，尤其在高频测试下，电容等效法误差较大，导致采用该校准技术的介电常数测试精度小于2％。

本公开提出一种基于多参考样品的同轴谐振腔校准方法，采用准静态等效原理，在不增加任何硬件成本的前提下，利用多种参考样品多次测试，实现同轴谐振腔精确校准，提高介电常数提取精度。要得到介电常数与频率及品质因数之间的关系，需要精确的表示出积分区域内的电磁场。

但是，对于同轴谐振腔来说，样品区位于开路端面外，该区域的电磁场属于辐射场，要精确的写出电磁场场表达式，存在比较大困难，因此，在利用微扰法求解复介电常数时为避免求解辐射场问题，利用准静态模型分析与微扰原理相结合来对其求解，经过推导可以得出介电常数与谐振频率及品质因数变化量之间的关系：

其中，f₀表示空腔谐振频率，Δf表示加载被测样品之后谐振频率偏移量，表示加载样品后品质因数偏移量，ε′表示介电常数实部，ε″表示介电常数虚部，R_s表示腔体金属表面阻抗，在本实施例中取377Ω，A、Γ、G表示与腔体开路端的缝隙、样品与开路端的缝隙等有关的常量。因此，要求介电常数的实部与虚部，需要求解常量A、Γ、G，具体校准原理如下：

以介电常数和损耗角正切已知的参考样品1为被测样品，设其相对复介电常数可表示为ε₁＝ε′₁+jε″₁，通过对该样品的幅频响应曲线的测量结果计算出谐振频率和品质因数值，以空气测量结果的谐振频率和品质因数作为参考，可以计算参考样品1的频率、品质因数的偏移量Δf₁、Δ(1/2Q₁)，带入式(2)、(3)可得：

以介电常数和损耗角正切已知的参考样品2为被测样品，设其相对复介电常数可表示为ε₂＝ε′₂+jε″₂，通过对该样品的幅频响应曲线的测量结果计算出谐振频率和品质因数值偏移量Δf₂和Δ(1/2Q₂)，以空气测量结果的谐振频率和品质因数作为参考，可以计算参考样品2的频率、品质因数的偏移量，带入式(2)、(3)可得：

联立(4)、(5)、(6)、(7)求解常量可得：

把式(8)、(9)、(10)带入式(4)、(5)即可求得待测样品的介电常数和损耗角正切，完成同轴谐振腔校准。

进行同轴谐振腔校准过程如下：

步骤1、首先，按图1所示进行信号产生于接收设备和谐振腔之间的连接，激励腔体得到谐振曲线，得到空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀；

步骤2、加载介电常数为ε₁＝ε′₁+jε″₁的参考样品1，记录谐振频率相对于步骤1得到的空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀的变化量Δf₁和

步骤3、加载介电常数为ε₂＝ε′₂+jε″₂的参考样品2，记录谐振频率相对于步骤1得到的空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀的变化量Δf₂和

步骤4、把步骤1、2、3得到的已知数据带入式(8)、(9)、(10)，求解常量A、Γ、G，完成校准常量的求解；

加载待测样品，设其介电常数为ε＝ε′+jε″，记录谐振频率相对于步骤1得到的空腔的谐振频率f₀和品质因数Q₀的变化量Δf和把步骤(4)的计算结果A、Γ、G带入式(2)、(3)完成介电常数实部ε′与ε″。

在校准过程中，参考样品1和参考样品2的纯度越高、复介电常数越精确，校准效果越好。

待测样品复介电常数越接近空气、参考样品1和参考样品2，校准效果越好，介电常数就测试越精确。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。