介质材料在毫米波频段的复介电常数测量技术研究

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随着毫米波太赫兹频谱资源的不断开发,介质材料广泛应用于毫米波天线和电路系统中,材料的电磁特性很大程度上决定了系统的性能。因此,准确地了解介质材料的复介电常数对于系统的设计是十分重要的。传统的传输线和封闭谐振腔法测量复介电常数由于损耗大、加工困难、测量精度低等缺点在毫米波频段的应用受到很大限制。因此,实现在毫米波频段介质材料的复介电常数测量具有十分重要的理论和工程意义。本文选用准光谐振腔测量技术,构建了V波段和W波段的准光谐振腔复介电常数测量系统。同时利用SIW行波缝隙阵列天线的特性,提出了毫米波频段测量PCB基片介电常数的新型测量方法。准光谐振腔具有Q值高、加工容易、调谐方便、单模特性好、频带极宽、取介质方便、容易控制介质温度等优点。本课题组之前已有Ka波段和W波段的准光谐振腔设计经验。在此基础上,本文设计了V波段和W波段的准光谐振腔并利用CST仿真软件完成了对空腔和加载腔谐振状态的仿真计算,进而完成了介电常数测量仿真实验。通过计算值与预设值对比发现,当介电常数值小于4时,V波段的介电常数测量误差在0.5%以下;介电常数值小于3时,W波段的测量误差在0.06%以下,验证了准光谐振腔在毫米波频段实现复介电常数测量的可行性和准确性。目前,实物已设计加工完成,未来会进行实物测试进一步验证测量系统的性能。基片集成波导(SIW)不仅可以使用传统的PCB工艺加工,成本造价低,还同时兼具金属波导低损耗、高Q值的优点,近年逐渐开始应用于介电常数测量领域。SIW行波缝隙天线的主波束方向角会随着基片介电常数变化而变化,利用这一特性即可通过测量天线主波束方向角来计算介质材料的介电常数值。本文利用HFSS仿真软件设计加工了三款中心频率93 GHz,以Rogers R/T 5880材料为基片材料的天线,并通过实物测试从多个角度验证了测试方法的可行性,一致性,准确性。介电常数测试值在2.2217~2.2325,均值为2.2260,波动率为0.49%。首次完成了毫米波频段应用行波天线测量介电常数的测试工作。
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