短路波导法测试低损耗透波材料高温复介电常数

徐银芳，邹样辉，李 恩，张 喦，王依超

（1. 北京航天长征飞行器研究所，北京，100076；2. 电子科技大学，成都，610054）

短路波导法测试低损耗透波材料高温复介电常数

徐银芳1，邹样辉1，李 恩2，张 喦1，王依超2

（1. 北京航天长征飞行器研究所，北京，100076；2. 电子科技大学，成都，610054）

针对透波材料的高温复介电常数测试问题，概述了短路波导法测试低损耗透波材料复介电常数的原理；对高温测试波导的选材与设计进行了分析；对电磁窗常用的几种透波材料的高温复介电常数进行了测试。结果表明：此系统可以从室温到1600℃对透波材料的复介电常数进行精确测量。

透波材料；短路波导法；高温测试；复介电常数

0 引 言

低损耗透波材料主要应用于电磁窗的设计，主要是保护飞行器在恶劣环境下的通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能介质材料。随着马赫数的增大，高速飞行器头部的微波材料温度急剧升高，而透波材料的复介电常数在高温状态下的变化是呈非线性的，这会对电磁波的传输产生非常大的影响。因此在高温环境下准确测试出透波材料的复介电常数，对电磁窗电性能的设计具有重要的作用。

透波材料复介电性能的测试方法主要有网络参数法和谐振法2种[1～3]。谐振法的局限性是一般只用于点频或窄频测量，且操作和分析较复杂；网络参数法具有操作简单、测量频带宽的特点。短路波导法属于网络参数法的一种，具有测试结构简单（由测试波导线以及短路板构成）、样品制作简单、易对其进行空波导和填充有被测微波材料的散射参数（S参数）测试、通过比对进行实时高温加热等特点。根据高温测试条件，本文选用短路波导法进行测试。

1 测试原理

短路波导法是通过测试填充有被测材料的波导传输线的反射参数或输入反射参数（S11参数），计算得到被测材料的电参数。短路波导法的测试原理如图 1所示，其等效的网络级联如图2所示。

由图1可知，将样品放在矩形波导终端与短路板紧密接触，在测试波导开路端输入电磁波信号，最终经过数次的反射与透射叠加，在端口只有入射波和反射波。

当此短路波导终端填充介质时，设填充有介质的传输线的长度，即样品的长度为l1，其等效输入阻抗Z1为

另一方面，该阻抗也可以看为空气波导的负载阻抗。设驻波比为ρ，驻波最小点到负载的距离为l0，则该阻抗也可写为

令 β0⋅l0=θj，根据式（1）及式（2），有：

式中 l1为填充介质波导的长度；λ0为自由空间波长；λc为波导截止波长；n为正整数。

最终得出介电常数rε和损耗角正切tanεδ：

利用式（7）和式（8），当已知填充有被测材料传输线的复反射系数时，可计算得到材料的复介电常数。

2 高温测试波导的选材与设计

高温测试波导是测试系统中的关键部件，本测试系统指标要求测试温度高达1 600 ℃，而实际测试过程中，测试波导所经受的温度要远高于1 600 ℃以及长时间处于高温环境中，同时要求其长时间高温受热时微波性能变化小。因此，对于制作高温测试波导所用材料的选择至关重要。由于能用于制作高温测试波导的材料有限，目前大多采用石墨、钨、钼、高温陶瓷以及铱等。对于高温陶瓷材料而言，要加工成所需精度的波导非常困难，加工过程非常复杂，成本较高，因此不宜选用高温陶瓷材料作为波导加工材料；金属铱的熔点为2 454 ℃，但其坚硬易碎、塑性差，很难加工出符合所需的测试波导；金属钨的熔点为3 410 ℃，硬度高，莫氏硬度为7.5，由于其质地脆，若用于测试系统中，可重复性低；钼金属熔点为2 622 ℃，同时其热膨胀系数很低，莫氏硬度为5.5，材质硬度高，相比于以上几种材料其脆性要低一些，适合于加工制作测试矩形波导。所以最终选择钼金属作为加工测试系统中的矩形波导。

为了提高测试系统的测试精度，本系统采用双矩形波导对比测试方法[4]。为了便于组装测试系统以及方便进行加热，将两路矩形波导合成一体进行加工，这样可保证两路矩形波导中的温度相同。高温测试双矩形波导的模型如图3所示。为了降低加工的难度以及使得矩形波导内壁更加光滑平整，采用沿矩形波导宽边中央进行剖分加工的方式。根据矩形波导表面电流的分布可知沿波导宽边剖分不会切断壁上的电流，因此就不会对矩形波导的微波性能造成影响。

矩形波导作为本测试系统的微波传输线，因此，每一段波导的传输性能以及波导法兰处的连接性能极其重要，不仅关系到测试系统能否进行微波材料电磁参数的测试工作，而且对测试结果的精确度也有较大的影响。所以，对波导进行加工时要求的加工精度为±0.02 mm，波导内表面和波导端面的法兰都进行抛光处理，法兰之间的平行度为 0.02。以此来尽量减小传输线之间和波导自身引入的测量误差。考虑到普通的螺钉和螺母遇高温加热时，易出现融化，因此设计了用钼金属材料加工所需要的螺钉和螺母，一方面可以经受超高温加热，另一方面可以起到连接两个波导法兰的作用，以减小波导法兰之间的空气缝隙。利用钼金属加工的双矩形波导实物如图4所示。

3 测试系统

本测试系统主要由测试波导子系统、加热子系统、水冷循环子系统、温控子系统、真空保护子系统、矢量网络分析仪、测试软件等组成。整个测试系统的结构如图5所示，测试系统实物如图6所示。

通过测试软件实现矢量网络分析仪与计算机之间的数据交流。测试软件是基于Visual C++平台编制完成的，具体的软件流程如图7所示。

4 测试结果

4.1 真 空

通过对真空的复介电常数的测试，可以验证系统的稳定性。在此系统中测得真空的复介电常数如图 8所示，从室温到1 600 ℃，真空的复介电常数均为1，与理论值相符，所以也验证了系统的稳定性。

4.2 石英玻璃

石英玻璃由于其优良的介电性能，常被选作介电性能测试系统的标样。测得的石英玻璃介电性能曲线如图9所示。

由图9可知，当温度低于1 000 ℃时，石英玻璃的介电常数基本保持不变；当温度高于1 000 ℃时，介电常数随温度升高呈现缓慢升高变化，但总体变化不大。当温度低于1 300 ℃时，石英玻璃的损耗角正切基本保持不变；当温度高于1 300 ℃，损耗角正切则随着温度升高近似呈现指数变化。

4.3 SiO2/SiO2复合材料

SiO2/SiO2复合材料是由石英纤维纱和一定比例含量的硅溶胶浸渍复合而成的一种复合材料，具有低热导率及优良的介电性能。图10为SiO2/SiO2复合材料的复介电常数测试结果。

由图10可知，从室温到1 300 ℃，SiO2/SiO2复合材料样品介电常数随温度升高略有减小，从1 300 ℃开始随着温度升高介电常数略有增大。从室温到1 000 ℃，损耗角正切随温度升高而减小；当温度高于1 000 ℃时，损耗角正切随着温度升高而增大。

5 结束语

随着军用及民用对透波材料的迫切需求，透波材料高温复介电常数的测试需求也越来越高。本文建立的短路波导法测试系统，可以从室温到1 600 ℃对透波材料的复介电常数进行精确测量。从对石英玻璃和SiO2/SiO2复合材料的测试结果可知，系统具有较好的稳定性和较高的测量精度，其测试方法及技术可以推广到更高温度的透波材料测试系统中。

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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

徐银芳（1985-），女，工程师，主要研究方向为飞行器电磁窗设计与试验