用諧振腔微擾法測定微波電介質(zhì)的介電常數(shù)

1、用諧振腔微擾法測定微波電介質(zhì)的介電常數(shù)隨著微波技術(shù)的飛速發(fā)展，微波材料及微波器件設(shè)計得到了深入 研究。微波工程中廣泛應(yīng)用各種介質(zhì)材料， 微波介質(zhì)材料的介電常數(shù) 和介電損耗角正切，是研究材料的微波特性和設(shè)計微波器件必須了解 的重要參數(shù)，因此，準(zhǔn)確測量這兩個參量十分重要。本實(shí)驗(yàn)介紹一種 常用的測量方法，即采用諧振腔微擾法測量介質(zhì)的介電常數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解諧振腔微擾法測量介質(zhì)介電常數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理；2了解微波元器件，組建微波測量系統(tǒng)，調(diào)試系統(tǒng)測量介電常數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 微波鐵氧體的介電常數(shù)£和介電損耗角正切tan根據(jù)電磁場理論，電介質(zhì)在交變電場的作用下，存在轉(zhuǎn)向極化， 且在極化時存在弛

2、豫，因此，微波電介質(zhì)的介電常數(shù)一般是復(fù)數(shù)：呂=S片=6(呂_ 2”)tan 6呂=e /e(1)其中；o是真空的介電常數(shù)，； ；o是相對介電常數(shù)；電介質(zhì)在交 變電場的作用下產(chǎn)生的電位移滯后電場一個相位角-,電介質(zhì)的能量損耗與tan、；成正比，故稱tan ；為介電損耗角正切； 當(dāng)tan :;<<1時，可以認(rèn)為是“無耗介質(zhì)” ，近似為實(shí)數(shù)。若介質(zhì)的 損耗很小，常采用諧振腔微擾法測量微波介質(zhì)的介電常數(shù)。2. 諧振腔微擾法測量微波介質(zhì)的介電常數(shù)諧振腔是封閉的金屬導(dǎo)體空腔，具有儲能、選頻等特性，常見的諧振腔有矩形和圓柱形兩種，我們選用矩形諧振腔。諧振腔的一個重要參量是品質(zhì)因素Q,它表明諧振效

3、率的高低，從Q值能夠知道在電磁振蕩延續(xù)過程中有多少功率消耗。相對諧振腔所存儲的能量來說，功率的消耗越多，則諧振腔的品質(zhì)因素 Q值就越低,反之，功率消耗愈少，Q值就愈高。作為有效的振蕩器，諧振腔必須有足夠高的品質(zhì)因素值。品質(zhì)因素的一般定義是Q =2二f0諧振腔內(nèi)總儲能.每秒總耗能fo為諧振腔的諧振頻率。事實(shí)上有載品質(zhì)因素-，可由f 2實(shí)驗(yàn)測定，fi,f2分別為半功率點(diǎn)的頻率，如圖1所示。 P2flfof2圖1反射式諧振腔的諧振曲線如果在矩形諧振腔內(nèi)插入一圓柱形細(xì)樣品，樣品被極化，會導(dǎo)致諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因素發(fā)生改變。 如果樣品的體積遠(yuǎn)小于諧振腔體積，則可認(rèn)為除樣品位置處電磁場發(fā)生變化外，其余

4、部分的電磁場保持不變，因此可用微擾法處理。選擇TEi°p(P為奇數(shù)) 的諧振腔，將樣品置于諧振腔內(nèi)微波電場最強(qiáng)而磁場最弱處，即 x=a/2,z=l/2處，且樣品軸向與y軸平行，如圖2所示。樣品圖2 TEiop模式諧振腔微擾法測量示意圖(1QL)"Vsfo - fs2f°Vs Vo假設(shè)介質(zhì)棒是均勻的，而諧振腔的品質(zhì)因素又較高，根據(jù)諧振腔微擾理論可得下列關(guān)系式：Vo由此可求得:"1 Ql)4Vs Vo式中fo、fs分別為放入樣品前后諧振腔的諧振頻率；Vo為諧振腔的體積，Vs為樣品的體積；(1 Ql )為放入樣品前后諧振腔有載品質(zhì)因素倒數(shù)的變化，即:(1QLQ

5、ls1QloQlo , Qls分別為放入樣品前后諧振腔的有載品質(zhì)因素。由此可見通 過測量fo、Qlo、fs、Qls、V、可以求得電介質(zhì)的介電常數(shù)；及 損耗角正切tan、；。三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示TEi 03反 射 諧掃描輸出檢波器圖3反射式諧振腔測量介電常數(shù)的裝首先，介紹一種微波器件環(huán)行器，在理想的環(huán)行器中電 磁波的傳輸只能沿標(biāo)定的方向環(huán)行，例如一個三端口環(huán)行器（本 實(shí)驗(yàn)中的T環(huán)行器），若標(biāo)定的循環(huán)順序依次為端口-端口- 端口，則從端口輸入的電磁波只能傳輸?shù)蕉丝谳敵?，則從 端口輸入的電磁波只能傳輸?shù)蕉丝谳敵觯聪虿荒軅鬏?。?shí)驗(yàn)中的反射諧振腔尺寸為 a b l =22.86 mmx 10

6、.16 mmX 68.16 mm,理論諧振頻率為：mnp宀 42（2b）2 少(5)圖4平方律檢波后的諧振線計算給定條件下諧振腔的諧振頻率論3，信號源信號選掃頻，調(diào)信號 源頻率使中心頻率位于f103，調(diào)系統(tǒng)使檢波器能按平方率檢波（當(dāng)電 場E比較小時I kE2），示波器顯示屏?xí)尸F(xiàn)圖4曲線。曲線上的“小缺口”是波長計吸 收造成的，查波長計可知此 處對應(yīng)的頻率，由此可知用“小缺口”可以測量頻率。在測量頻率時，為了準(zhǔn) 確，通常把諧振曲線上要測量的點(diǎn)位對準(zhǔn)顯示屏上的某一條 線，然后調(diào)波長計使“小缺口”的尖端對準(zhǔn)該線，查出頻率。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟1. 如圖3所示組建實(shí)驗(yàn)裝置；2計算f103 ；3.

7、信號源信號選掃頻，調(diào)信號源頻率使中心頻率位于 怙3 ,工作方式置“等幅”；示波器CH1 （X）選交流耦合，CH2（Y）選直流耦合； 調(diào)系統(tǒng)使檢波器能按平方率檢波（若用微安表顯示，電流應(yīng)在10 X左右），也可用精密衰減器驗(yàn)證，若衰減值A(chǔ)=10logpo/P> = 10log2=3分貝（調(diào)衰減角日=32昭0'）,即功率減小一半時，示波器顯示屏呈現(xiàn)如圖 4曲線也下降一半距離，說明檢波 二極管已是平方率檢波。4調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，使諧振曲線如圖 4;5.測量fo和Qlo，重復(fù)三遍;&分別測量聚四氟乙烯、有機(jī)玻璃等三種樣品的諧振頻率fs和品質(zhì)因素Qls,重復(fù)三遍；7. 分別測量諧振腔和樣品的體積Vo, Vs ；8. 設(shè)計表格記錄數(shù)據(jù)；9. 根據(jù)（3）式計算各樣品的；'、；"和tan、；