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透波材料介电性能高温宽频测试技术研究

李恩  
【摘要】: 透波材料广泛应用于天线罩、天线窗等构件中,为适应飞行器在大气层高速飞行时产生的高温环境中微波应用,必须确保天线罩(窗)在高温环境中具有优良的微波性能。天线罩(窗)等构件的微波性能和透波材料的介电性能直接相关,而透波材料在不同温度不同频率下具有不同的介电性能。在透波材料的研制、生产和使用过程中,需要掌握其在高温宽频下的微波介电性能。因此,研究透波材料高温宽频测试技术具有重要意义。 本文根据透波材料介电性能测试方法及技术指标要求,选用圆柱谐振腔法进行高温宽频介电性能测试技术研究。研究了高温宽频测试物理模型和测试误差分析原理,设计并制作了宽频高温测试谐振腔和变温传输系统,研制了高温加热保护系统,集成并调试了测试系统。攻克了透波材料高温宽频测试难题,填补了国内在该领域的空白。 在测试原理研究上,提出了在腔体纵向方向上采用分段计算的方法,建立了非等直径谐振腔体的高温测试物理模型,完善了高温测试状态下的测试物理模型,减小了腔体纵向分布上直径和长度的变化对测试结果的影响。 在校准和测试过程中,提出了实时采集腔体不同位置工作温度和温度线性插值的方法,并根据腔体实际工作温度分布对关键尺寸和微波参数进行修正,降低了腔体热不稳定性对测试结果的影响,提高了高温测试结果稳定性。 在微波介电性能高温宽频测试中,提出了采用超音频感应加热方式,提高了高温宽频谐振系统中的可操作性和可维护性。 在提出的分段计算和实时修正方法的基础上,研制了透波材料高温宽频测试系统。根据圆柱腔的组成,结合高温使用环境,设计了一腔多模谐振腔、耦合装置和测试样品台活塞,利用高温金属材料研制了高温宽带谐振系统。根据测试系统需要,利用标准波导的设计方法和性能参数,设计了变温环境中使用的非标双脊矩形波导,研制了非标波导到同轴的微波转换接头,组建了宽带微波变温传输系统。研制了真空保护系统,采用感应加热方式研制了加热系统,为谐振系统提供了高温真空保护环境。调试了感应加热圈和隔热保温装置,获得了符合测试需要的谐振系统温度分布。制定了合理的测试流程,分析并减少了影响测试精度的因素。编写了自动测试软件,集成了测试系统。测试了谐振系统宽带高温微波参数及其稳定性,制作了石英、蓝宝石等高温材料样品,对测试样品在7~18GHz内进行了室温~1500℃的复介电常数变温测试和重复性测试。 本文最后从测试原理出发进行了测试误差分析研究。分析了测试误差源,结合温度特性分析了误差源的不确定度,讨论了由测试物理模型的理想状态与实际测试中偏差引入的误差,利用Matlab编制了测试误差估算软件。为测试结果的准确性提供了评价依据。 测试结果和误差分析结果表明:本文基于分段计算方法和感应加热方式,在国内首次建立的测试系统,可对透波材料进行7~18GHz、室温~1500℃的宽带高温介电性能测试,并具有较好的测试重复性,达到了论文要求的测试功能和测试精度的要求。


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