[发明专利]基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统及方法

权利要求书

1.基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统，其特征在于，包括测试夹具、温度测试模块、压力测试模块和主机模块；

所述测试夹具包括波导转接头4、散热波导5、绝热波导6、高温波导7、金属棒8、填充石英12和金属短路板15；其中，波导转接头4的波导端与散热波导5连接，同轴端与同轴线11连接，用于实现电磁波的匹配传输和模式转换；散热波导5、绝热波导6和高温波导7均为矩形波导，依次固定连接，散热波导5和绝热波导6用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3产生高温损伤；待测微波材料14设置于高温波导内，其左侧为填充石英12，右侧为金属短路板15，金属短路板15右侧固定连接金属棒8；高温波导7和金属短路板15共同对待测微波材料14施加温度场，填充石英12和金属短路板15共同实现对待测样品14施加压力场；

所述温度测试模块包括升温装置、冷却装置和温度检测装置；其中，升温装置包括感应加热丝13和温控柜19，感应加热丝13环绕高温波导7设置，并连接至温控柜19，用于对高温波导7进行感应电流加热，以实现对待测材料的升温；冷却装置包括隔热复合材料17和散热金属柱18，依次固定设置于金属棒8的右侧，防止高温的扩散；温度检测装置为温度传感器16，设置于金属短路板15的右侧，用于实时监测待测材料的温度，同时，温度传感器16通过导线外接LED数字显示屏，对温度进行实时的显示；

所述压力测试模块包括施压装置和压力检测装置；所述压力检测装置包括压力传感器9和压力显示器21，压力传感器9固定设置于散热金属柱18的右侧，压力显示器21与压力传感器9连接，用于显示实时施加压力；施压装置为加压器10，加压器10与压力传感器9相接，用于调节对压力感应器9施加的力，从而准确控制对待测材料施加的力场；

所述主机模块包括电脑1和矢量网络分析仪3；矢量网络分析仪3用于测量材料在终端短路波导中的S参数，电脑1用于控制矢量网络分析仪3自动获取加载待测样品前后测试系统的S参数，并通过算法反演获得待测材料的电磁参数。

2.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，散热波导5和散热金属柱18内设置水冷槽，通过外接水冷箱2，用于防止在对高温波导7进行高温加热时，过高的温度对同轴电缆11和矢量网络分析仪3和压力传感器9产生高温损伤。

3.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述散热波导5的材料优选为铝，同时对波导的外部进行加工，使波导表面为排列整齐的鳍片，并对波导的外表面进行发黑处理，提高散热效率。

4.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述绝热波导6采用薄壁低、插损低的导热波导制作。

5.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，高温波导7和金属短路板15的材料均为耐高温且膨胀系数低的金属。

6.如权利要求1所述的介电性能测试系统，其特征在于，所述波导转接头4为同轴-矩形波导模式转换器，其作用是将同轴线中的TEM模式转换形成矩形波导中的TE模式，以达到信号传输完成测试的目的，其工作频段为12.4～19GHz，中心频率为15GHz，驻波比为VSWR1.2。

7.一种如权利要求1-6任一权利要求所述的基于波导终端短路法高温高压下介电性能测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将波导加温加压至目标值，待温度稳定后，测试未放置待测材料下的反射系数S_11h空；

步骤2.在波导中放置待测材料，将波导加温加压至目标值，待温度和压力稳定后，测量得到材料的反射系数S_11h；

步骤3.对步骤2所测得的反射系数S_11h进行修正，修正之后反射系数S₁₁为：

其中，|S₁₁|为修正之后反射系数S₁₁的模，θ_S11为修正之后反射系数S₁₁的相位；

步骤4.通过对步骤3得到修正之后反射系数S₁₁进行反演，即可得到待测材料的介电常数，具体过程为：

计算待测材料在波导中的传播常数γ，公式如下：

根据步骤3得到修正之后反射系数S₁₁，则有：

γ＝α+j·β (3)

λ_c＝2a (8)

其中，d为待测样品的厚度，L为整个测试波导长度，包括散热波导5、绝热波导6和高温波导7，a为测试波导的宽边尺寸，c为真空中的光速；β₀为空载波导中的传播常数，λ₀为自由空间中的波长，λ_c为测试波导的截止波长；f₀为工作频率，ρ为输入驻波系数，θ_j为驻波最小点到待测材料输入端的相位，α为衰减常数，β为相位常数；

由以上公式可以得到：

式中，ε′_r为待测介质材料的相对介电常数，tanδ_ε为损耗角正切。