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，成都，610054）

短路波導法測試低損耗透波材料高溫復介電常數

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，成都，610054）

針對透波材料的高溫復介電常數測試問題，概述了短路波導法測試低損耗透波材料復介電常數的原理；對高溫測試波導的選材與設計進行了分析；對電磁窗常用的幾種透波材料的高溫復介電常數進行了測試。結果表明：此系統可以從室溫到1600℃對透波材料的復介電常數進行精確測量。

透波材料；短路波導法；高溫測試；復介電常數

0 引 言

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

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

1 測試原理

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

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

當此短路波導終端填充介質時，設填充有介質的傳輸線的長度，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的負載阻抗。設駐波比為ρ，駐波最小點到負載的距離為l0，則該阻抗也可寫為

令 β0?l0=θj，根據式（1）及式（2），有：

式中 l1為填充介質波導的長度；λ0為自由空間波長；λc為波導截止波長；n為正整數。

最終得出介電常數rε和損耗角正切tanεδ：

利用式（7）和式（8），當已知填充有被測材料傳輸線的復反射系數時，可計算得到材料的復介電常數。

2 高溫測試波導的選材與設計

高溫測試波導是測試系統中的關鍵部件，本測試系統指標要求測試溫度高達1 600 ℃，而實際測試過程中，測試波導所經受的溫度要遠高于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所用材料的選擇至關重要。由于能用于制作高溫測試波導的材料有限，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非常困難，加工過程非常復雜，成本較高，因此不宜選用高溫陶瓷材料作為波導加工材料；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；金屬鎢的熔點為3 410 ℃，硬度高，莫氏硬度為7.5，由于其質地脆，若用于測試系統中，可重復性低；鉬金屬熔點為2 622 ℃，同時其熱膨脹系數很低，莫氏硬度為5.5，材質硬度高，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。所以最終選擇鉬金屬作為加工測試系統中的矩形波導。

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

矩形波導作為本測試系統的微波傳輸線，因此，每一段波導的傳輸性能以及波導法蘭處的連接性能極其重要，不僅關系到測試系統能否進行微波材料電磁參數的測試工作，而且對測試結果的精確度也有較大的影響。所以，對波導進行加工時要求的加工精度為±0.02 mm，波導內表面和波導端面的法蘭都進行拋光處理，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，易出現融化，因此設計了用鉬金屬材料加工所需要的螺釘和螺母，一方面可以經受超高溫加熱，另一方面可以起到連接兩個波導法蘭的作用，以減小波導法蘭之間的空氣縫隙。利用鉬金屬加工的雙矩形波導實物如圖4所示。

3 測試系統

本測試系統主要由測試波導子系統、加熱子系統、水冷循環(huán)子系統、溫控子系統、真空保護子系統、矢量網絡分析儀、測試軟件等組成。整個測試系統的結構如圖5所示，測試系統實物如圖6所示。

通過測試軟件實現矢量網絡分析儀與計算機之間的數據交流。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 測試結果

4.1 真 空

通過對真空的復介電常數的測試，可以驗證系統的穩(wěn)定性。在此系統中測得真空的復介電常數如圖 8所示，從室溫到1 600 ℃，真空的復介電常數均為1，與理論值相符，所以也驗證了系統的穩(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的標樣。測得的石英玻璃介電性能曲線如圖9所示。

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

4.3 SiO2/SiO2復合材料

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

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

5 結束語

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

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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計與試驗