阅读说明：本技术 一种气体介电常数测试装置 (Gas dielectric constant testing device ) 是由 高冲 李恩 宋鑫 张云鹏 高勇 李亚峰 郑虎 于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：一种气体介电常数测试装置,通过将密封腔侧壁的上表面与密封腔盖板的下表面固定连接形成一个中空的密封腔体；在密封腔体内依次设置非金属固定隔离块和平面谐振结构在密封腔底板上,通过将平面谐振结构的介质基板上表面与密封腔盖板下表面的外侧金属台阶和内侧金属台阶固定连接,在密封腔盖板和平面谐振结构之间且位于外侧金属台阶和内侧金属台阶之间的区域构成气体测试区域；气体测试区域内平面谐振结构的介质基板和平面金属单元以及密封腔盖板下表面的金属面构成倒置微带线谐振电路,对倒置微带线谐振电路中的平面金属单元进行谐振激励和接收,根据不同气体的介电常数不同导致倒置微带等效介电常数变化的原理对气体介电常数进行测试。(A gas dielectric constant testing device forms a hollow sealed cavity by fixedly connecting the upper surface of the side wall of a sealed cavity and the lower surface of a cover plate of the sealed cavity; the method comprises the following steps that a nonmetal fixed isolation block and a planar resonance structure are sequentially arranged in a sealed cavity on a sealed cavity bottom plate, the upper surface of a medium substrate of the planar resonance structure is fixedly connected with an outer side metal step and an inner side metal step of the lower surface of a sealed cavity cover plate, and a gas test area is formed in an area between the sealed cavity cover plate and the planar resonance structure and between the outer side metal step and the inner side metal step; the dielectric substrate and the planar metal unit of the planar resonance structure in the gas test area and the metal surface on the lower surface of the sealing cavity cover plate form an inverted microstrip line resonance circuit, the planar metal unit in the inverted microstrip line resonance circuit is subjected to resonance excitation and receiving, and the gas dielectric constant is tested according to the principle that the equivalent dielectric constant of the inverted microstrip changes due to the difference of the dielectric constants of different gases.)

一种气体介电常数测试装置

技术领域

本发明属于微波、毫米波材料电磁参数测试技术领域，涉及一种气体介电常数测试装置。

背景技术

在遥测遥感、大气污染检测、工业气体成分分析等领域都需要对气体特性及成分进行研究。关于气体成分的分析方法主要有电化学法、红外光学法、气相色谱/质谱法、微波法等，每种方法都有各自的优缺点，其中微波法以检测灵敏度较高、成本低、速度快、无危害等优点，已成为一种重要的检测手段。微波法的测试原理是不同气体的介电常数不同，加载在微波测试传感器中导致传感器的微波参数变化，由此可反演出气体介电常数和成分比例，因此利用微波法对气体的测试及成分分析，本质上仍然是对气体的介电常数进行准确测试。

目前气体介电测试方法主要有电容法、谐振腔法、平面传输线法等，其中电容法是将待测气体填充在两个电极之间，测试出电容值变化，并根据电容计算公式，反算出气体介电常数(陈万金.采用谐振电路测量气体的介电常数[J].计量技术,1999(08):22-23.张皓晶等.气体相对介电常数ε_r的测量[J].云南师范大学学报:自然科学版,2005(01):17-19.)。该方法通常用于直流或低频的介电测试。

谐振腔法通常是将气体全部填充在谐振腔内，通过测试其谐振频率和品质因数的变化量，计算出气体的介电常数(张瑜.测量气体折射率的高Q微波谐振腔设计[J].微波学报,2008(03):78-81.)。该方法测试灵敏度较高，当时进行在线测试过程中，气体温度、压强的变化会引起谐振腔尺寸的微小变化，由此造成测试误差，因此该方法在改进腔体稳定性方面仍需进一步研究改进。

在平面传输线法中，以微带结构设计为主，通常是设计环形、缺陷地等谐振结构，利用气体对辐射场的扰动进行测试，根据谐振频率变化对气体成分进行检测分析，并测试其介电常数。该方法设计加工成本低、传感器尺寸小、易小型化集成，但是由于辐射场的能量分布不强，因此检测灵敏度可能有限。

基于以上分析，针对气体介电常数的在线测试需求，要求传感器灵敏度高、设计成本低、稳定性好，而在现有的微波传感器结构中，很少能同时满足这些要求，因此在现有传感器的研究基础上，需要进一步研究改进，以满足气体介电常数的在线测试需求。

发明内容

针对现有气体介电常数测试结构中难以同时满足高检测灵敏度、高稳定性和低成本的问题，本发明提出了一种气体介电常数测试装置来实现气体介电常数的在线测试，与传统的微带线辐射场测试装置相比，具备测试灵敏度较高、设计成本较低、稳定性好的优点。

为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种气体介电常数测试装置，包括密封腔和密封腔盖板，所述密封腔包括底板和侧壁，通过将所述密封腔侧壁的上表面与所述密封腔盖板的下表面固定连接形成一个中空的密封腔体；在所述密封腔体内设置有非金属固定隔离块和平面谐振结构，所述非金属固定隔离块和平面谐振结构依次放置在所述密封腔底板上；

所述密封腔盖板的下表面为金属面，所述平面谐振结构的介质基板上表面印制有不少于一个的平面金属单元，所述平面谐振结构的介质基板下表面不敷铜；所述密封腔盖板下表面设置有外侧金属台阶和内侧金属台阶，所述平面谐振结构的介质基板上表面与所述密封腔盖板下表面的外侧金属台阶和内侧金属台阶固定连接，在所述密封腔盖板和所述平面谐振结构之间且位于所述外侧金属台阶和内侧金属台阶之间的区域作为气体测试区域；所述密封腔盖板上设置有进气孔和出气孔，待测气体从所述进气孔进入并填充所述气体测试区域后从所述出气孔排出；

所述平面金属单元位于所述气体测试区域内且不与所述密封腔盖板接触，所述气体测试区域内的所述介质基板、平面金属单元和所述密封腔盖板下表面的金属面构成倒置微带线谐振电路；所述气体介电常数测试装置还设置有微带谐振激励和接收部分，用于对所述倒置微带线谐振电路中的所有平面金属单元进行谐振激励和接收。

具体的，所述外侧金属台阶上设置有多个水平气体通孔，所述气体测试区域内的待测气体通过所述水平气体通孔后填充在整个密封腔体内。

具体的，所述平面金属单元为环形结构，环形结构的所述平面金属单元与所述密封腔盖板下表面的金属面构成倒置微带谐振器。

具体的，所述密封腔底板上设置有多个密封腔耦合孔，所述非金属固定隔离块上设置有分别与所有所述密封腔耦合孔同心的多个固定块耦合孔，将多个同轴磁耦合环分别***对应的所述密封腔耦合孔和所述固定块耦合孔中作为所述微带谐振激励和接收部分，每一个环形结构的所述平面金属单元由两个同轴磁耦合环***对应的两个所述密封腔耦合孔和两个所述固定块耦合孔中进行谐振激励和接收。

具体的，在所述非金属固定隔离块上对应一个平面金属单元的两个所述固定块耦合孔之间设置电磁屏蔽槽，所述电磁屏蔽槽内填充有吸波材料。

本发明的有益效果为：本发明利用密封腔盖板下表面的金属面、平面谐振结构中的介质基板和平面金属单元，构成了用于气体介电常数测试的倒置微带谐振结构，与传统的微带线辐射场测试方法相比，本发明的倒置微带谐振结构所处的气体测试区域的场能量更强，能够实现更高的测试灵敏度，实施例中增加电磁屏蔽槽进一步提高了测试精度；另外本发明一些实施例中在外侧金属台阶四周设计了水平气体通孔，使得待测气体填充在整个密封腔体内，从而将气压变化对谐振结构的影响转移到密封腔体壁上，再加上倒置微带谐振结构的尺寸变化对谐振频率的影响较小，因此本发明能够实现更高的测试稳定性；本发明的平面谐振结构中可以采用金属谐振环或其他形式的谐振结构，可在介质基板上实现多谐振单元，有效拓展了测试频率范围，实现了测试装置的小型化，更有利于集成，设计成本更低。

附图说明

图1是本发明提出的一种气体介电常数测试装置的分离结构图，其中，1是密封腔盖板、2是平面谐振结构、3是非金属固定隔离块、4是密封腔。

图2是本发明提出的一种气体介电常数测试装置中密封腔盖板1的示意图，其中，1-1是进气孔、1-2是出气孔、1-3是外侧金属台阶、1-4是内侧金属台阶、1-5是水平气体通孔、1-6是金属面。

图3是本发明提出的一种气体介电常数测试装置中平面谐振结构2的示意图，其中，2-1是介质基板、2-2是内侧平面金属单元、2-3是外侧平面金属单元。

图4是本发明提出的一种气体介电常数测试装置中非金属固定隔离块3的示意图，其中，3-1是非金属固定隔离块3的一个外侧耦合孔，用于谐振激励；3-2是非金属固定隔离块3的另一个外侧耦合孔，用于谐振接收；3-3是非金属固定隔离块3的一个内侧耦合孔，用于谐振激励；3-4是非金属固定隔离块3的另一个内侧耦合孔，用于谐振接收；3-5是非金属固定隔离块3的两个内侧耦合孔3-3和3-4之间的电磁屏蔽槽、3-6是非金属固定隔离块3的两个外侧耦合孔3-1和3-2之间的电磁屏蔽槽。

图5是本发明提出的一种气体介电常数测试装置中密封腔4的示意图，其中，4-1是密封腔4的一个外侧耦合孔，与非金属固定隔离块3的外侧耦合孔3-1保持同心、4-2是密封腔4的另一个外侧耦合孔，与非金属固定隔离块3的外侧耦合孔3-2保持同心、4-3是密封腔4的一个内侧耦合孔，与非金属固定隔离块3的内侧耦合孔3-3保持同心、4-4是密封腔4的另一个内侧耦合孔，与非金属固定隔离块3的内侧耦合孔3-4保持同心。

图6是本发明提出的一种气体介电常数测试装置用于测试两种不同气体(氮气N2和二氧化碳CO2)的谐振曲线示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示，本发明提出的一种气体介电常数测试装置包括密封腔盖板1、平面谐振结构2、非金属固定隔离块3和密封腔4，密封腔4包括底板和侧壁，通过将密封腔4侧壁的上表面与密封腔盖板1的下表面固定连接形成一个中空的密封腔体，在这个中空的密封腔体内设置非金属固定隔离块3和平面谐振结构2，密封腔1的底板上从下至上依次放置非金属固定隔离块3和平面谐振结构2，密封腔盖板1下表面设置有外侧金属台阶1-3和内侧金属台阶1-4，利用非金属固定隔离块3使得平面谐振结构2能够与密封腔盖板1的外侧金属台阶1-3和内侧金属台阶1-4连接，从而固定平面谐振结构2与密封腔盖板1，使得平面谐振结构2倒扣在密封腔盖板1内侧，并保证有微带谐振电路的一面(即介质基板上表面)靠近密封腔盖板1并且不接触。密封腔盖板1、平面谐振结构2、非金属固定隔离块3以及密封腔4同心，可以通过图2中外侧金属台阶1-3上的螺纹孔、图3中平面谐振结构2最外侧的螺纹孔、图4中非金属固定隔离块3最外侧的螺纹孔进行固定。

在密封腔盖板1和平面谐振结构2之间且位于外侧金属台阶1-3和内侧金属台阶1-4之间的区域作为气体测试区域；密封腔盖板1上设置有进气孔1-1和出气孔1-2，待测气体从进气孔1-1进入并填充气体测试区域后从出气孔1-2排出。一些实施例中，为保证充气抽气过程中，平面谐振结构2不会因为气压变化而变形，在外侧金属台阶1-3四周设计了多个水平气体通孔1-5，如图2所示本实施例在外侧金属台阶1-3的四周设计了8个水平气体通孔1-5(等角度圆周排列)，使得被测气体能够从气体测试区域穿过外侧金属台阶1-3而填充在整个密封腔体内，从而将气压变化对谐振结构的影响转移到密封腔体壁上，保证了气体测试区域的稳定性。

密封腔盖板1的下表面为金属面1-6，平面谐振结构2的介质基板2-1上表面印制有不少于一个的平面金属单元，如图2所示本实施例中设置两个环形结构的平面金属单元2-2和2-3，2-2是内侧平面金属单元，2-3是外侧平面金属单元；平面谐振结构2的介质基板下表面不敷铜。除环形结构外，平面金属单元还可以设置为其他谐振结构；平面金属单元可以在同一片介质基板上设置一个或多个，比如本实施例中为了实现更宽频率范围测试和更低的设计成本，将两个不同尺寸(对应不同频率范围)环形结构的平面金属单元2-2和2-3设计在同一片介质基板2-1上，并保证相互没有影响，为了实现更高频率范围的测试，还可在中心处设计更多谐振环。

本实施例中平面金属单元2-2和2-3是两个同心的环形结构，其中外环的半径为42.5mm，内环半径为28.5mm，宽度为2.5mm。介质基板采用罗杰斯4350，厚度0.762mm，该厚度会影响谐振环的能量耦合，若耦合量太弱或太强，可分别采用减小或增加基板厚度的方式调整耦合量。密封腔盖板1中的外侧金属台阶1-3和内侧金属台阶1-4高度设置为1mm。另外保证外侧金属台阶1-3的内径足够大，不至于影响到外侧谐振环的场分布；内侧金属台阶1-4的外径足够小，不至于影响到内侧谐振环的场分布，可通过仿真结果对外侧金属台阶1-3的内径和内侧金属台阶1-4的外径进行经验评估。

由于密封腔盖板1存在外侧金属台阶1-3和内侧金属台阶1-4，因此当平面谐振结构2的微带线谐振电路倒扣在盖板1上时，气体测试区域内的介质基板2-1、平面金属单元2-2和2-3与密封腔盖板1下表面的金属面1-6构成倒置微带线谐振电路，场的能量主要集中在气体测试区域内。

气体介电常数测试装置还设置有微带谐振激励和接收部分，用于对倒置微带线谐振电路中的平面金属单元进行谐振激励和接收。一些实施例中可以采用同轴磁耦合环进行微带谐振的激励和接收，如图4和5所示，针对本实施例中设置的两个环形结构的平面金属单元2-2和2-3，本实施例中在非金属固定隔离块3上设置了两个非金属固定隔离块的外侧耦合孔3-1和3-2，在密封腔4底板对应设置了与3-1和3-2同心的两个密封腔的外侧耦合孔4-1和4-2，将同轴磁耦合环***3-1和4-1对外侧平面金属单元2-3进行谐振激励，将同轴磁耦合环***3-2和4-2对外侧平面金属单元2-3进行谐振接收。同样的，本发明在非金属固定隔离块3上设置了两个非金属固定隔离块的内侧耦合孔3-3和3-4，在密封腔4底板对应设置了与3-3和3-4同心的两个密封腔的内侧耦合孔4-3和4-4，将同轴磁耦合环***3-3和4-3对内侧平面金属单元2-2进行谐振激励，将同轴磁耦合环***3-4和4-4对内侧平面金属单元2-2进行谐振接收。

为了实现更高的测试精度，一些实施例中还可以在非金属固定隔离块3上设计电磁屏蔽槽，并在电磁屏蔽槽中填充吸波材料，用于吸收串扰的电磁波信号。如图4所示，在两个非金属固定隔离块的外侧耦合孔3-1和3-2之间设计电磁屏蔽槽3-5，在两个非金属固定隔离块的内侧耦合孔3-3和3-4之间设计电磁屏蔽槽3-6，电磁屏蔽槽3-5中填充或涂覆吸波材料可屏蔽两个非金属固定隔离块的外侧耦合孔3-1和3-2之间的串扰信号，电磁屏蔽槽3-6中填充或涂覆吸波材料可屏蔽两个非金属固定隔离块的内侧耦合孔3-3和3-4之间的串扰信号。

平面金属单元2-2和2-3表面以及密封腔盖板1下表面的金属一般会镀金或镀银，但是银容易氧化，并且电导率比金的电导率低，因此一些实施例中优选在平面金属单元和密封腔盖板1下表面的金属面镀金，以提高品质因数和测试灵敏度。

本发明的技术原理为：

密封腔盖板1下表面的金属面1-6、介质基板2-1、平面金属单元2-2和2-3构成了中间是气体层的倒置微带线，而主要场能量集中在中间的气体层即气体测试区域。当填充不同气体时，由于其介电常数不同，导致倒置微带等效介电常数变化。

微带线谐振环的频率计算公式为：

其中n是谐振模式、f_n是第n个模式的谐振频率、c是光速、r是谐振环半径、ε_eff是微带线的等效介电常数。

从上式可以看出，等效介电常数改变会引起谐振频率变化。利用HFSS三维结构电磁场仿真软件对两种不同气体氮气和二氧化碳填充时的谐振频率进行仿真验证，如附图6所示。从仿真结果可以看出，两种气体填充下的谐振频率明显存在差别，并随着频率的增加，谐振频率偏差越大。除了氮气和二氧化碳还可以填充其他任意气体，或者填充混合气体时还可以用于测试气体成分比例。

在实际测试中，从进气孔1-1将待测气体完全填充在倒置微带谐振结构的气体测试区域中，将矢量网络分析仪的两个测试端口分别与耦合孔中的同轴磁耦合环连接，测试S21曲线，从而获得对应工作模式的谐振频率f_n。根据如下公式可计算出倒置微带线的等效介电常数，然后根据保角变换进一步推导出待测气体的介电常数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。