罩体材料介电常数高温宽带测试方法.pdf

2 0 1 1 年6 月 第3 1 卷第3 期 宇航计测技术 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n t J a n ，2 0 1 I V 0 1 3 I N o 3 文章编号：1 0 0 0 - 7 2 0 2 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 1 2 一0 4中图分类号：T N 9 8 罩体材料介电常数高温宽带测试方法 张娜成俊杰高春彦琚小琳 ( 北京无线电计量测试研究所，北京1 0 0 0 3 9 ) 文献标识码：A 摘要介绍了基于传输反射法理论改进，组建了室温( R T ) 6 0 0 。C ，4 0 0 M H z 一1 8 G H z 介电常数测量系 统。分别从系统组成和测试方法两个方面人手，详细介绍高温传输反射测试系统对器件的材质、工艺、性能指标等 特殊要求，重点介绍了高温测试用到的校准技术、高温修正算法、时域门技术、尺寸误差修正、自动控制等理论和技 术难题。并佐以实验进行验证，试验结果与标称值符合良好。 关键词高温宽带高温修正时域门测试方法 T h eA u t o m a t i cM e a s u r e m e n tM e t h o do fP e r m i t t i v i t yi n H i g hT e m p e r a t u r ea n dB r o a d b a n d Z H A N GN aC H E N GJ u n - j i eG A OC h u n - y a hJ UX i a o - l i n ( B e i j i n gI n s t i t u t eo fR a d i oM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n t s ，B e i j i n g1 0 0 0 3 9 ) A b s t r a c tI n t r o d u c e saa u t o m a t i cm e a s u r e m e n tm e t h o do fp e r m i t t i v i t yi nh i g ht e m p e r a t u r e ( R T 一 6 0 0 ) a n db r o a d b a n d ( 4 0 0 M H z 一18 G H z ) u s i n gi m p r o v e dt r a n s m i s s i o n r e f l e c t i o nm e t h o d M a i n l yi n - e l u d i n gt h em a t e r i a l ，t e c h n i c sa n dp e r f o r m a n c eo ft h eh i s ht e m p e r a t u r es y s t e ma n ds o m ek e yt e c h n i q u e s s u c ha sc a l i b r a t i o n ，c o r r e c t e da r i t h m e t i c ，t i m eg a t e ，s i z ee r r o rc o r r e c t e da n da u t o m a t i cc o n t r o le t ca p p l i e d i nt h es y s t e m F i n a l l yt e s t e dr e s u l t sg i v e ni nt h ep a p e ri sw e l la c c o r d i n gt ot h es t a n d a r dv a l u e K e yw o r d sH i g ht e m p e r a t u r eb r o a d b a n d H i g ht e m p e r a t u r ec o r r e c t e d T i m eg a t eM e a s u r e m e n t m e t h o d 1 引言 微波材料电性能的测试方法有多种 1 。】，如平 板电容法、谐振腔法、单反射法和传输反射法等。传 输反射法可应用于多种形式的测试系统，例如同轴 测试系统、波导测试系统或自由空间测试系统。传 输反射法的基本原理是通过测量被测介质的散射参 数来计算介电常数，通常用于常温条件测试。与其 他测试方法相比，同轴传输反射法具有测量频带宽， 易于加热的优点。将测试系统中连接器、测试夹具 采用耐高温设计，再连接一定长度的不锈钢器件进 行隔热处理，则常温系统可应用到高温条件进行测 试，具有高温宽带的特点。为了得到准确的测试结 果，对校准技术、高温误差修正技术及数据处理的研 究是必不可少的。另外，时域门技术也被用于改善 测量结果的平坦度。 2 高温测试系统同皿伙U 风尔现 同轴高温测试系统：4 1 采用耐高温、低膨胀率 器件组成。通过调研、仿真、测试和改进等途径， 最终选择不锈钢材质制作同轴器件的内外导体， 万方数据 第3 期 罩体材料介电常数高温宽带测试方法 1 3 发泡二氧化硅加工内外导体间支撑环，经过精密 加工的器件具有小驻波和低插损特性。测试夹 具在4 0 0 M H z 1 8 G H z 频段电压驻波比小于 1 1 0 ，高温器件在全频段电压驻波比小于1 2 0 ， 能够满足室温到6 0 0 的工作环境。为了保护 测试主机矢量网络分析仪的正常工作，在其与高 温组件之间连接一定长度的不锈钢器件，其导热 性差，线缆较细，热容小散热快，且内外导体间填 充的发泡二氧化硅具有很好的气密性，能够有效 阻隔热空气的传导。经过不锈钢器件的隔热降 温，接口处基本处于常温状态。高温箱采用硅碳 棒加热，通过传感器、控温装置调整硅碳棒的加 热时间及加热功率使高温箱处于目标温度。高 温宽带测试系统组成框图如图1 所示。 3 高温修正算法及自动控制 图1 高温宽带测试系统框图 3 1 校准技术 由于网络分析仪测试系统的校准需要连接标准 件( 如：开路器、短路器或负载等) ，高温条件无法直 接连接实现校准，因此高温条件校准采用常温校准， 高温修正的技术实现。网络分析仪连接一系列高温 组件、隔热组件、测试夹具，将测试夹具与高温连接 器连接，采用端口延伸技术在测试夹具另一端面连 接处进行非嵌人式全二端口校准。经过校准把参考 面从电缆端口延伸到测试夹具端面，包含测试夹具 在内的网络分析仪初始误差、电缆、隔热器件、耐高 温穿墙、加热箱等引入的误差均可看作误差项被消 除，从而完成了常温条件校准。 3 2 高温环境保证 在从室温到高温的加热过程中，高温箱、测试夹 具、高温组件、冷却组件都经历温度迅速升高的变 化，性能发生改变，性能变化的定量描述为高温误差 矩阵。 由于同轴传输反射测试系统是密封式系统，被 测介质放置于测试夹具的内外导体间，而传感器放 置在测试夹具外表面，因此该传感器测得的温度并 不是被测介质所处环境温度。采用双传感器分别监 测箱体和测试夹具内的温度，找到二者平衡点，保证 了测试过程中被测件的温度准确性。具体过程为： 连好测试系统，将传感器1 贴在测试夹具外靠近被 测介质的位置。选取另一测试夹具2 ，两端分别接 人短路器和开路器，放人箱体。将传感器2 通过开 路器接入测试夹具外导体内表面，连接示意图如图 1 示。设定温度目标值，分别监测两路温度值，寻找 传感器2 与传感器1 温度平衡所需时间。当传感器 l 与传感器2 温度一致时，采集此时的散射参数为 该温度条件时的误差矩阵。通过大量试验，确定各 温度目标值的平衡时间。实际测试过程只要保证测 试时间不短于各温度目标值的平衡时间就能确保被 测介质处于目标温度环境。 3 3 高温误差矩阵 T 参数用于误差矩阵处理比较方便，需要将测 得s 参数转化为T 参数进行误差处理，之后再转化 为S 参数用于计算介电常数和损耗角正切。 万方数据 宇航计测技术 2 0 1 1 罐 f 测试夹具 图2 高温误差矩阵 参考面搬移 2 f d 测试夹具 图3 高温误差矩阵 参考面搬移 高温误差矩阵是两端口参考面( 参考面1 和参 考面2 ) 都在位置1 处获得的，如图2 所示。首先需要 将参考面2 搬移到位置2 处。所作的处理为：S 。：不 变；s 2 1 ：滞后一l l v ；S 1 2 ：滞后一l v ；S 2 2 ：超前+ 2 1 v 。 然后将获得的高温误差矩阵作进一步处理，s 1 1 滞 后一2 d v ；S 2 1 ：超前+ d l v ；S “超前+ d v ；S 2 2 ：不变， 将位置1 处的参考面l 搬移到位置1 处，如图3 所 示。 将被测材料放人测试系统，加热至目标温度采 集散射参数为高温测试数据。高温测试数据是两端 口参考面都在位置1 处获得的，如图4 所示。首先需 要将参考面2 搬移到位置2 处。所作的处理如下： s l I 不变；S 2 I ：滞后一1 v ；S 1 2 ：滞后一l v ；S 2 2 ：超前+ 2 l v 。图3 处理后的结果和图4 处理后的结果满足级 联网络的关系，分别假设为L 和咒，被测样品的r 参数为T = T 巧1 ，该结果是在参考面l 在位置l 处，参考面2 在位置2 处获得。 ， 阂 d 图4 高温测试数据 参考面搬移 2 图5 高温测试数据 参考面搬移 在散射参数与介电常数的计算软件中，所用散 射参数是参考面都在位置l 处获得的，因此需要作 处理：S l l I 不变；是1 ：超前+ d v ；S 1 2 - 超前+ d v ；S 2 2 ： 滞后一2 d v ，将参考面2 从位置2 处搬移到位置l 处，如图5 所示。至此得到被测材料在目标温度条 件下的散射参数，可用于计算其介电常数和损耗角 正切。 3 4 时域门技术 网络分析仪散射参数测试曲线幅度起伏较大， 这是由于测试系统组成复杂，器件较多，连接处不匹 配以及多次反射引入的。连接系统，在频域完成全 二端口校准，之后转换到时域测量，可以看到时域曲 线存在多个反射点。采用时域门技术，选取合适的 时域门的起始和终止选出被测材料的位置。由于被 测件在测试系统中的放置位置已知( 通过参考面位 置及样品与被测件之间的距离) ，可得到时域门的 起始位置参数。根据反射点判断出时域门的终止位 置参数，将时域门内的时域信号转换到频域得到被 测材料的真实的散射特性，用于计算介电常数能够 有效改善幅度平坦特性。 3 5 加工尺寸误差修正 同轴传输线法要求被测介质精密加工，且与测 试夹具内外导体紧密吻合。当样品长度与测试夹具 一致时，被测样品的内外径加工尺寸误差是主要误 差来源，当样品长度与测试夹具不一致时除上述误 差外，还需要通过补偿电长度进行相位修正。式 ( 1 ) 一1 用于样品内外径加工尺寸误差的修正。 l n _ d 3 1 ：l n 了d 4 上一l n 了d 2 1 一l n 了d 4 上( 1 ) d 2 占c 盯d l 占嗍d l 占I i rd 3 占 i r 式中：d 。内导体外径；d 2 样品内径；d 3 样品外径；d 4 外导体内径；占“，空气介电常 数；B r a e 。测得的介电常数；占。修正后的介 电常数。 圈6 样品与测试夹具空气间隙图 3 6 高次模的考虑 同轴无支撑空气线主模为T E M 模，当改变尺寸 或填充介质时，将会激励出高次模T E 模和T M 模。 高次模将分散能量，且很快被衰减，给测试结果引入 误差。例如：N 型空气线在空气介质填充时，主模频 率范围为D C 一1 9 0 3 G H z 。当聚四氟乙烯填充时， 主模频率范围变为D C 1 3 4 6 G H z ，理论上测试频 率不能高于1 3 4 6 G H z ，但实际测试频率( 例如： 1 8 G H z ) 高于主模频率时仍然可以得到正确的测试 万方数据 镕3 M 掣悱”