短路波導(dǎo)法測試低損耗透波材料高溫復(fù)介電常數(shù)

徐銀芳，鄒樣輝，李 恩，張 喦，王依超

（1. 北京航天長征飛行器研究所，北京，100076；2. 電子科技大學(xué)，成都，610054）

短路波導(dǎo)法測試低損耗透波材料高溫復(fù)介電常數(shù)

徐銀芳1，鄒樣輝1，李 恩2，張 喦1，王依超2

（1. 北京航天長征飛行器研究所，北京，100076；2. 電子科技大學(xué)，成都，610054）

針對透波材料的高溫復(fù)介電常數(shù)測試問題，概述了短路波導(dǎo)法測試低損耗透波材料復(fù)介電常數(shù)的原理；對高溫測試波導(dǎo)的選材與設(shè)計進(jìn)行了分析；對電磁窗常用的幾種透波材料的高溫復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：此系統(tǒng)可以從室溫到1600℃對透波材料的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行精確測量。

透波材料；短路波導(dǎo)法；高溫測試；復(fù)介電常數(shù)

0 引 言

低損耗透波材料主要應(yīng)用于電磁窗的設(shè)計，主要是保護(hù)飛行器在惡劣環(huán)境下的通訊、遙測、制導(dǎo)、引爆等系統(tǒng)正常工作的一種多功能介質(zhì)材料。隨著馬赫數(shù)的增大，高速飛行器頭部的微波材料溫度急劇升高，而透波材料的復(fù)介電常數(shù)在高溫狀態(tài)下的變化是呈非線性的，這會對電磁波的傳輸產(chǎn)生非常大的影響。因此在高溫環(huán)境下準(zhǔn)確測試出透波材料的復(fù)介電常數(shù)，對電磁窗電性能的設(shè)計具有重要的作用。

透波材料復(fù)介電性能的測試方法主要有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法2種[1～3]。諧振法的局限性是一般只用于點頻或窄頻測量，且操作和分析較復(fù)雜；網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法具有操作簡單、測量頻帶寬的特點。短路波導(dǎo)法屬于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法的一種，具有測試結(jié)構(gòu)簡單（由測試波導(dǎo)線以及短路板構(gòu)成）、樣品制作簡單、易對其進(jìn)行空波導(dǎo)和填充有被測微波材料的散射參數(shù)（S參數(shù)）測試、通過比對進(jìn)行實時高溫加熱等特點。根據(jù)高溫測試條件，本文選用短路波導(dǎo)法進(jìn)行測試。

1 測試原理

短路波導(dǎo)法是通過測試填充有被測材料的波導(dǎo)傳輸線的反射參數(shù)或輸入反射參數(shù)（S11參數(shù)），計算得到被測材料的電參數(shù)。短路波導(dǎo)法的測試原理如圖 1所示，其等效的網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)如圖2所示。

由圖1可知，將樣品放在矩形波導(dǎo)終端與短路板緊密接觸，在測試波導(dǎo)開路端輸入電磁波信號，最終經(jīng)過數(shù)次的反射與透射疊加，在端口只有入射波和反射波。

當(dāng)此短路波導(dǎo)終端填充介質(zhì)時，設(shè)填充有介質(zhì)的傳輸線的長度，即樣品的長度為l1，其等效輸入阻抗Z1為

另一方面，該阻抗也可以看為空氣波導(dǎo)的負(fù)載阻抗。設(shè)駐波比為ρ，駐波最小點到負(fù)載的距離為l0，則該阻抗也可寫為

令 β0?l0=θj，根據(jù)式（1）及式（2），有：

式中 l1為填充介質(zhì)波導(dǎo)的長度；λ0為自由空間波長；λc為波導(dǎo)截止波長；n為正整數(shù)。

最終得出介電常數(shù)rε和損耗角正切tanεδ：

利用式（7）和式（8），當(dāng)已知填充有被測材料傳輸線的復(fù)反射系數(shù)時，可計算得到材料的復(fù)介電常數(shù)。

2 高溫測試波導(dǎo)的選材與設(shè)計

高溫測試波導(dǎo)是測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，本測試系統(tǒng)指標(biāo)要求測試溫度高達(dá)1 600 ℃，而實際測試過程中，測試波導(dǎo)所經(jīng)受的溫度要遠(yuǎn)高于1 600 ℃以及長時間處于高溫環(huán)境中，同時要求其長時間高溫受熱時微波性能變化小。因此，對于制作高溫測試波導(dǎo)所用材料的選擇至關(guān)重要。由于能用于制作高溫測試波導(dǎo)的材料有限，目前大多采用石墨、鎢、鉬、高溫陶瓷以及銥等。對于高溫陶瓷材料而言，要加工成所需精度的波導(dǎo)非常困難，加工過程非常復(fù)雜，成本較高，因此不宜選用高溫陶瓷材料作為波導(dǎo)加工材料；金屬銥的熔點為2 454 ℃，但其堅硬易碎、塑性差，很難加工出符合所需的測試波導(dǎo)；金屬鎢的熔點為3 410 ℃，硬度高，莫氏硬度為7.5，由于其質(zhì)地脆，若用于測試系統(tǒng)中，可重復(fù)性低；鉬金屬熔點為2 622 ℃，同時其熱膨脹系數(shù)很低，莫氏硬度為5.5，材質(zhì)硬度高，相比于以上幾種材料其脆性要低一些，適合于加工制作測試矩形波導(dǎo)。所以最終選擇鉬金屬作為加工測試系統(tǒng)中的矩形波導(dǎo)。

為了提高測試系統(tǒng)的測試精度，本系統(tǒng)采用雙矩形波導(dǎo)對比測試方法[4]。為了便于組裝測試系統(tǒng)以及方便進(jìn)行加熱，將兩路矩形波導(dǎo)合成一體進(jìn)行加工，這樣可保證兩路矩形波導(dǎo)中的溫度相同。高溫測試雙矩形波導(dǎo)的模型如圖3所示。為了降低加工的難度以及使得矩形波導(dǎo)內(nèi)壁更加光滑平整，采用沿矩形波導(dǎo)寬邊中央進(jìn)行剖分加工的方式。根據(jù)矩形波導(dǎo)表面電流的分布可知沿波導(dǎo)寬邊剖分不會切斷壁上的電流，因此就不會對矩形波導(dǎo)的微波性能造成影響。

矩形波導(dǎo)作為本測試系統(tǒng)的微波傳輸線，因此，每一段波導(dǎo)的傳輸性能以及波導(dǎo)法蘭處的連接性能極其重要，不僅關(guān)系到測試系統(tǒng)能否進(jìn)行微波材料電磁參數(shù)的測試工作，而且對測試結(jié)果的精確度也有較大的影響。所以，對波導(dǎo)進(jìn)行加工時要求的加工精度為±0.02 mm，波導(dǎo)內(nèi)表面和波導(dǎo)端面的法蘭都進(jìn)行拋光處理，法蘭之間的平行度為 0.02。以此來盡量減小傳輸線之間和波導(dǎo)自身引入的測量誤差?？紤]到普通的螺釘和螺母遇高溫加熱時，易出現(xiàn)融化，因此設(shè)計了用鉬金屬材料加工所需要的螺釘和螺母，一方面可以經(jīng)受超高溫加熱，另一方面可以起到連接兩個波導(dǎo)法蘭的作用，以減小波導(dǎo)法蘭之間的空氣縫隙。利用鉬金屬加工的雙矩形波導(dǎo)實物如圖4所示。

3 測試系統(tǒng)

本測試系統(tǒng)主要由測試波導(dǎo)子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、水冷循環(huán)子系統(tǒng)、溫控子系統(tǒng)、真空保護(hù)子系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試軟件等組成。整個測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，測試系統(tǒng)實物如圖6所示。

通過測試軟件實現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流。測試軟件是基于Visual C++平臺編制完成的，具體的軟件流程如圖7所示。

4 測試結(jié)果

4.1 真 空

通過對真空的復(fù)介電常數(shù)的測試，可以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此系統(tǒng)中測得真空的復(fù)介電常數(shù)如圖 8所示，從室溫到1 600 ℃，真空的復(fù)介電常數(shù)均為1，與理論值相符，所以也驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 石英玻璃

石英玻璃由于其優(yōu)良的介電性能，常被選作介電性能測試系統(tǒng)的標(biāo)樣。測得的石英玻璃介電性能曲線如圖9所示。

由圖9可知，當(dāng)溫度低于1 000 ℃時，石英玻璃的介電常數(shù)基本保持不變；當(dāng)溫度高于1 000 ℃時，介電常數(shù)隨溫度升高呈現(xiàn)緩慢升高變化，但總體變化不大。當(dāng)溫度低于1 300 ℃時，石英玻璃的損耗角正切基本保持不變；當(dāng)溫度高于1 300 ℃，損耗角正切則隨著溫度升高近似呈現(xiàn)指數(shù)變化。

4.3 SiO2/SiO2復(fù)合材料

SiO2/SiO2復(fù)合材料是由石英纖維紗和一定比例含量的硅溶膠浸漬復(fù)合而成的一種復(fù)合材料，具有低熱導(dǎo)率及優(yōu)良的介電性能。圖10為SiO2/SiO2復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)測試結(jié)果。

由圖10可知，從室溫到1 300 ℃，SiO2/SiO2復(fù)合材料樣品介電常數(shù)隨溫度升高略有減小，從1 300 ℃開始隨著溫度升高介電常數(shù)略有增大。從室溫到1 000 ℃，損耗角正切隨溫度升高而減小；當(dāng)溫度高于1 000 ℃時，損耗角正切隨著溫度升高而增大。

5 結(jié)束語

隨著軍用及民用對透波材料的迫切需求，透波材料高溫復(fù)介電常數(shù)的測試需求也越來越高。本文建立的短路波導(dǎo)法測試系統(tǒng)，可以從室溫到1 600 ℃對透波材料的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行精確測量。從對石英玻璃和SiO2/SiO2復(fù)合材料的測試結(jié)果可知，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較高的測量精度，其測試方法及技術(shù)可以推廣到更高溫度的透波材料測試系統(tǒng)中。

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Complex Permittivity Measurement of Low Loss Dielectric Material for High Temperature by Short Waveguide Method

Xu Yin-fang1, Zou Yang-hui1, Li En2, Zhang Yan1, Wang Yi-chao2
(1. Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076; 2. University of Electronic Science and Technology, Chengdu, 610054)

Research on the measurement of low loss dielectric material for high temperature, the principle of complex permittivity measurement of low loss dielectric material for high temperature by short wave-guide method is summarized, material selection and design of high temperature waveguide is analyzed, the high temperature complex permittivity of low loss dielectric materials applied on some random and antenna window material is measured. The results were satisfactory and the temperature could measure accurately from room temperature to 1600℃.

Low loss dielectric material; Short waveguide method; Measurement for high temperature; Complex permittivity

V414

A

1004-7182(2017)05-0103-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170525

2016-03-14；

2016-08-23

徐銀芳（1985-），女，工程師，主要研究方向為飛行器電磁窗設(shè)計與試驗