准光腔介电常数测量系统的校准方法及介电常数测量方法

技术领域

本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种准光腔介电常数测量系统的校准方法及介电常数测量方法。

背景技术

准光腔法以非破坏性、测量精度高等优点在材料介电常数测量领域被广泛采用。现有的准光腔介电常数测量系统采用准光腔法的基本原理是通过比较待测样品放入准光腔腔体前后谐振频率、工作腔长和品质因数的变化，结合待测样品的厚度、初始腔长等参数，推导其介电常数和损耗角正切。准光腔有对称和非对称两种结构，对称结构采用双球面镜组成，非对称准光腔采用一个球面镜和一个平面镜组成。非对称准光腔易于放置待测样品，应用更加广泛。非对称准光腔有单孔反射式和双孔通过式两种耦合方式。双孔通过式耦合方式应用较多，有两点理由。一、理论上，相同准光腔腔体采用双孔通过式耦合比单孔反射式耦合具有更高的品质因数。二、单孔反射式准光腔采用反射测量模式，双孔通过式准光腔采用传输测量模式。网络分析仪进行反射测量时，受前端耦合装置方向性的影响，动态范围约在40dB左右。网络分析仪进行传输测量时，动态范围至少为80dB。因此双孔通过式耦合的准光腔更有利于微弱谐振信号的测量。

双孔通过式耦合的准光腔采用传输测量模式。球面镜顶部对称设计耦合小孔分别作为信号馈入和信号馈出。采用小孔耦合时，谐振信号较弱。相比低频网络分析仪，3mm频段网络分析仪的动态范围信号与噪底相差有限，导致准光腔介电常数测量系统谐振信号不稳定，品质因数的测量精度和稳定性受到影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种准光腔介电常数测量系统的校准方法及介电常数测量方法，以解决相关技术中准光腔介电常数测量系统谐振信号不稳定、品质因数的测量精度低和稳定性差的难题。

为了实现上述目的，本发明第一个方面，提供了一种准光腔介电常数测量系统的校准方法，所述准光腔介电常数测量系统包括网络分析仪和准光腔，所述校准方法基于所述网络分析仪实现，校准时，在所述准光腔介电常数测量系统中依次接入待测量的传输频响标准和隔离标准，所述校准方法包括：

编制频响隔离校准软件，所述频响隔离校准软件包括针对所述传输频响标准编制的传输频响标准软件，和针对所述隔离标准编制的隔离标准软件；

在所述准光腔介电常数测量系统中依次接入所述传输频响标准和所述隔离标准时，分别采用所述传输频响标准软件和所述隔离标准软件，对所述准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准和隔离校准，以获得传输频响误差和隔离误差；

根据所述传输频响误差和所述隔离误差，修正所述准光腔介电常数测量系统的测量性能误差。

进一步地，分别采用所述传输频响标准软件和所述隔离标准软件，对所述准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准和隔离校准，以获得传输频响误差和隔离误差的步骤包括：

对所述准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准，测得包含隔离误差和传输频响误差的第一S参数关系，所述第一S参数关系为采用所述网络分析仪的S

对所述准光腔介电常数测量系统进行隔离校准，测得包含隔离误差的第二S参数关系，所述第二S参数关系为采用所述网络分析仪的S

根据所述第一信号参数关系和所述第二信号参数关系，确定所述传输频响误差和所述隔离误差。

进一步地，对所述准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准之前，所述方法还包括：

在所述网络分析仪具有的两个波导端口之间接入所述传输频响标准，所述传输频响标准为长度为零米、损耗为零分贝的直通传输线。

进一步地，在所述网络分析仪具有的两个波导端口之间接入所述传输频响标准的步骤包括：

将所述网络分析仪具有的两个波导端口直接相连，实现所述传输频响标准的接入。

进一步地，对所述准光腔介电常数测量系统进行隔离校准之前，所述方法还包括：

在所述网络分析仪具有的两个波导端口之间接入所述隔离标准。

进一步地，所述准光腔介电常数测量系统还包括信号耦合装置，在所述网络分析仪具有的两个波导端口之间接入隔离标准的步骤包括：

将所述网络分析仪具有的两个波导端口分别与所述信号耦合装置具有的波导口相连后，将所述隔离标准设置在所述准光腔中。

进一步地，所述准光腔为非对称准光腔时，所述非对称准光腔包括球面镜和平面镜，在所述网络分析仪具有的两个波导端口之间接入隔离标准的步骤包括：

将所述网络分析仪具有的两个波导端口分别与所述信号耦合装置具有的波导口相连后，将所述隔离标准放置在所述平面镜上。

进一步地，所述隔离标准为尖劈型吸波材料制成的全吸收样板。

进一步地，编制所述频响隔离校准软件之前，所述方法还包括：

采用短路开路负载直通SOLT校准法对所述网络分析仪进行校准处理，或采用短路开路负载SOL校准法对所述网络分析仪进行校准处理。

本发明第二个方面，还提供了一种介电常数测量方法，包括：

将待测样片放入准光腔介电常数测量系统，测量所述待测样片的介电常数，其中，所述准光腔介电常数测量系统为通过所述的准光腔介电常数测量系统的校准方法校准后得到。

相对于现有技术而言，本申请提供的技术方案至少具备如下技术效果：

本发明基于网络分析仪编制校准软件，研制校准所需的传输频响标准和隔离标准，通过对传输频响标准和隔离标准的测量，完成系统误差的修正，实现基于网络分析仪组建的准光腔介电常数测量系统的校准，改善了准光腔介电常数测量系统的谐振信号，品质因数的测量精度高，为后续介电常数的准确测算提供了基础。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有的准光腔介电常数测量系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的准光腔介电常数测量系统的校准方法的流程图；

图3为图2中步骤S12具体实施流程图；

图4为进行传输频响校准时网络分析仪的连接方式；

图5为传输频响标准校准信号流图；

图6为进行隔离校准时网络分析仪的连接方式；

图7为隔离标准校准信号流图；

图8为3mm准光腔介电常数测量系统的结构示意图。

附图标记说明：

10、网络分析仪；101、波导端口；11、控制器；12、扩频模块；20、信号耦合装置；21、波导口；30、非对称准光腔；31、球面镜；32、平面镜；40、平台底座；50、高精度移动定位装置；60、待测样片；70、隔离标准。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。

请参见图1，现有的双孔通过式非对称准光腔30介电常数测量系统由网络分析仪10、非对称准光腔30、信号耦合装置20、高精度移动定位装置50、电缆转接和平台底座40等组成。双孔通过式耦合的准光腔采用传输测量模式。球面镜31顶部对称设计耦合小孔分别作为信号馈入和信号馈出。采用小孔耦合时，谐振信号较弱。

相比低频网络分析仪10，3mm频段网络分析仪10的动态范围信号与噪底相差有限，导致谐振信号不稳定，品质因数的测量精度和稳定性受到影响。本发明第一个实施例提供了一种准光腔介电常数测量系统的校准方法，该校准方法可以有效地改善准光腔介电常数测量系统的信噪比、提高测量精度。准光腔介电常数测量系统包括网络分析仪10和准光腔，本发明实施例中的准光腔为非对称准光腔30，校准方法基于网络分析仪10实现，利用网络分析仪10校准时，在准光腔介电常数测量系统中依次接入待测量的传输频响标准和隔离标准70，如图2所示，该校准方法包括如下步骤：

步骤S11：编制频响隔离校准软件，频响隔离校准软件包括针对传输频响标准编制的传输频响标准软件，和针对隔离标准70编制的隔离标准70软件。

步骤S12：在准光腔介电常数测量系统中依次接入传输频响标准和隔离标准70时，分别采用传输频响标准软件和隔离标准70软件，对准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准和隔离校准，以获得传输频响误差和隔离误差。其中，传输频响标准为直通传输线，该直通传输线的长度为0米、损耗为0分贝dB，即传输频响标准为一虚拟校准标准，并不是实际存在的标准器件。

步骤S13：根据传输频响误差和隔离误差，修正准光腔介电常数测量系统的测量性能误差。

本发明实施例针对准光腔介电常数测量系统的传输隔离校准实施，首先研制传输频响标准和隔离标准70，然后编写对应校准标准的校准软件，最后实施校准步骤。

步骤S11中，编制频响隔离校准软件时，具体步骤如下：

1.基于网络分析仪10编写频响隔离校准软件。首先，在网络分析仪10的软件编写菜单界面，选择网络分析仪10的校准【Calibration】中【CalSet】，新建【Insert New】校准模型。输入校准箱名称【QuasiCal】、校准箱描述【Calkit】、接头类型【No Gender】。

2.编写标准软件1-传输频响标准软件：选择【Add Standard】中Thru】标准，输入频率范围的最小值、频率范围的最大值、阻抗(Z0)默认为50Ω，直通时延(Delay)为0ps，损耗(LOSS)为0Gohms/s。

3.编写标准2-隔离标准70软件：选择【Add Standard】中【LOAD】标准，【Fixed】形式，输入频率范围的最小值、频率范围的最大值、阻抗(Z0)默认为50Ω，时延(Delay)为0ps，损耗(LOSS)为0Gohms/s。

4.然后选择【Solt】校准方法，将标准软件1添加到【FWD TRANS】，将标准软件2添加到【Isolation】，完成校准软件的编写。

请参见图3，步骤S12中，分别采用传输频响标准软件和隔离标准70软件，对准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准和隔离校准，以获得传输频响误差和隔离误差的步骤包括如下步骤：

步骤S121：对准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准，测得包含隔离误差和传输频响误差的第一S参数关系，第一S参数关系为采用网络分析仪10的S21参数，对准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准时测得的信号参数关系。其中，对准光腔介电常数测量系统进行传输频响校准之前，在网络分析仪10具有的两个波导端口101之间接入长度为零米、损耗为零分贝的传输频响标准，对此，将网络分析仪10具有的两个波导端口101直接相连即可实现传输频响标准的接入，具体连接方式如图3所示。

步骤S122：对准光腔介电常数测量系统进行隔离校准，测得包含隔离误差的第二S参数关系，第二S参数关系为采用网络分析仪10的S21参数，对准光腔介电常数测量系统进行隔离校准时测得的信号参数关系；

步骤S123：根据第一信号参数关系和第二信号参数关系，确定传输频响误差和隔离误差。

步骤S122对准光腔介电常数测量系统进行隔离校准之前，在网络分析仪10具有的两个波导端口101之间接入隔离标准70。基于准光腔介电常数测量系统还包括信号耦合装置20，在网络分析仪10具有的两个波导端口101之间接入隔离标准70的步骤包括：将网络分析仪10具有的两个波导端口101分别与信号耦合装置20具有的波导口21相连后，将隔离标准70设置在准光腔中。准光腔为非对称准光腔30时，非对称准光腔30包括球面镜31和平面镜32，在网络分析仪10具有的两个波导端口101之间接入隔离标准70的步骤包括：将网络分析仪10具有的两个波导端口101分别与信号耦合装置20具有的波导口21相连后，将隔离标准70放置在平面镜32上，隔离标准70放置方式如图6所示。隔离标准70为尖劈型吸波材料制成的全吸收样板，尖劈型吸波材料为正方形、边长取球面镜口径、高度根据非对称准光腔30的工作频段进行选择，确保尖劈型吸波材料的反射特性在非对称准光腔30的工作频段的吸波性能优于-40dB。

步骤S11编制频响隔离校准软件之前，本发明实施例提供的校准方法还包括：采用短路开路负载直通SOLT校准法(英文全称为Short-Open-Load-Thru)对网络分析仪10进行校准处理，或采用短路开路负载SOL校准法(英文全称为Short-Open-Load)对网络分析仪10进行校准处理，以进一步减小介电常数测量系统的测量误差。SOLT校准法和SOL校准法都是基于网络分析仪10的12项误差模型进行分析校准的方法。

本发明通过研制的传输频响标准和隔离标准70，采用频响隔离校准方法对非对称准光腔30介电常数测量系统进行校准。频响隔离校准方法忽略了网络分析仪10的端口1和端口2的失配参数：方向性、源匹配、反射频响和负载匹配等误差，仅剩余传输频响误差和隔离误差。网络分析仪10的12项误差模型可以简化成4项误差模型，如图5和图7示。图5为系统接入传输频响标准进行校准时的信号流图，图7为系统接入隔离标准70校准时的信号流图。

根据信号流图图5可得被测件(传输频响标准)实际的SA参数与测得的SM参数之间的第一S参数关系为：

式中：EX为正向隔离误差，ERX为反向隔离误差。ETT为正向传输频响误差，ERT为反向传输频响误差。

当传输频响标准接入网络分析仪10的两波导端口101之间，S

求得上式(2)为：

当隔离标准70接入网络分析仪10的两波导端口101之间，S

E

求得上式(2)为：

E

即，第二S参数关系为式(5)和式(6)构成的仅求得隔离误差的参数关系式，将式(5)和式(6)代入式(3)和式(4)，可以得到正向传输频响误差ETT和反向传输频响误差ERT。至此得到传输测量的全部4项误差项：正向传输频响误差ETT、反向传输频响误差ERT、正向隔离误差EX、反向隔离误差ERX。介电常数测量时，将计算得到的系统误差和测量值S21M、S12M代入式(1)和(2)，可得到被测样片的真实传输参数S21A、S12A。

请参见图4，本发明实施例进行传输频响校准时，按图4连接测量系统，选择网络分析仪10的S21参数。将连接信号耦合装置20前端的波导口21拆开，将网络分析仪10的两个波导端口101直接相连，如图4所示。在网络分析仪10的菜单界面点击校准向导【Cal guide】，选择频响【response】校准，在【View/Select CalKit】中选择校准软件【QuasiCal】。在校准界面点击直通【THRU】，执行传输频响校准。

请参见图6，本发明实施例完成频响校准后，进行隔离校准时，将网络分析仪10的两个波导端口101与信号耦合装置20的波导口21相连。将隔离标准70放入平面镜32上。在网络分析仪10的校准界面点击隔离【Isolation】，执行隔离校准。经过上述步骤，完成基于网络分析仪10的准光腔介电常数测量系统的校准。将隔离标准70取出，即可对待测样片的介电常数进行测量。

具体地，为使本发明更加清楚明白，本发明实施例还以3mm准光腔介电常数测量系统为例，来说明本发明基于网络分析仪10的准光腔介电常数测量系统的校准方法的具体实施方式。请参见图8，采用某公司的网络分析仪10(N5225B)、控制器11(N5261A)和某公司的3mm扩频模块12(V10VNA2-T/R-N5260A)等组成3mm网络分析仪10系统，采用自行研制的非对称式3mm准光腔体、3mm信号耦合装置20、3mm波导段(即波导端口101)等组建3mm准光腔介电常数测量系统，如图7所示。设置3mm网络分析仪10频率为75GHz至110GHz，测量参数S21、点数16001、平均次数8、中频带宽100Hz。

3mm频率范围的最小值59.01GHz、频率范围的最大值118GHz，完成校准软件QuasiCal3的编写。3mm频段传输频响准为0米、0dB传输线，隔离标准70为300mm×300mm×50mm的尖劈型吸波材料。

首先将图4中所示的两个波导端口101直接相连，完成频响校准。然后按图6将两个波导端口101分别连接至信号耦合装置20的两个波导口21，将隔离标准70置于准光腔平面镜32上，完成隔离校准。

准光腔介电常数测量系统经过传输－隔离方法校准后，信噪比得到了明显提升，这有利于准确获取测量谐振频率和品质因数，为后续介电常数的准确计算提供基础。

表1给出了准光腔介电常数测量系统的校准前后的品质因数测量结果。可以明显看出：经过传输频响隔离校准，在腔长等参数都不变化的情况下，准光腔介电常数测量系统的品质因数得到了较大的提升。

表1品质因数对比表

本发明基于网络分析仪10编制校准软件，研制校准所需的传输频响标准和隔离标准70，通过对传输频响标准和隔离标准70的测量，完成系统误差的修正，实现基于网络分析仪10组建的准光腔介电常数测量系统的校准，改善了准光腔介电常数测量系统的谐振信号，品质因数的测量精度高，为后续介电常数的准确测算提供了基础。

本发明第二个实施例还提供了一种介电常数测量方法，该介电常数测量方法包括：将待测样片放入准光腔介电常数测量系统，测量待测样片的介电常数，其中，准光腔介电常数测量系统为通过本发明第一个实施例提供的准光腔介电常数测量系统的校准方法校准后得到，准光腔介电常数测量系统的校准方法请参见本发明第一个实施例提供的内容，本发明实施例在此不再赘述。

本发明实施例提出的介电常数测量方法，能提高对待测样片的介电常数的测量精度。

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