用谐振腔微扰法测定微波电介质的介电常数

用谐振腔微扰法测定微波电介质的介电常数随着微波技术的飞速发展，微波材料及微波器件设计得到了深入研究。微波工程中广泛应用各种介质材料，微波介质材料的介电常数和介电损耗角正切，是研究材料的微波特性和设计微波器件必须了解的重要参数，因此，准确测量这两个参量十分重要。本实验介绍一种常用的测量方法，即采用谐振腔微扰法测量介质的介电常数。一、实验目的⒈了解谐振腔微扰法测量介质介电常数的实验原理；⒉了解微波元器件，组建微波测量系统，调试系统测量介电常数。二、实验原理⒈微波铁氧体的介电常数ε和介电损耗角正切tan根据电磁场理论，电介质在交变电场的作用下，存在转向极化，且在极化时存在弛豫，因此，微波电介质的介电常数一般是复数：)('00jr'tan（1）其中0是真空的介电常数，0r是相对介电常数；电介质在交变电场的作用下产生的电位移滞后电场一个相位角，电介质的能量损耗与tan成正比，故称tan为介电损耗角正切；当tan1时，可以认为是“无耗介质”，r近似为实数。若介质的损耗很小，常采用谐振腔微扰法测量微波介质的介电常数。⒉谐振腔微扰法测量微波介质的介电常数谐振腔是封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特性，常见的谐振腔有矩形和圆柱形两种，我们选用矩形谐振腔。谐振腔的一个重要参量是品质因素Q，它表明谐振效率的高低,从Q值能够知道在电磁振荡延续过程中有多少功率消耗。相对谐振腔所存储的能量来说，功率的消耗越多，则谐振腔的品质因素Q值就越低，反之，功率消耗愈少，Q值就愈高。作为有效的振荡器，谐振腔必须有足够高的品质因素值。品质因素的一般定义是每秒总耗能谐振腔内总储能02fQ0f为谐振腔的谐振频率。事实上有载品质因素210fffQL，可由实验测定，21,ff分别为半功率点的频率，如图1所示。如果在矩形谐振腔内插入一圆柱形细样品，样品被极化，会导致谐振腔的谐振频率和品质因素发生改变。如果样品的体积远小于谐振腔体积，则可认为除样品位置处电磁场发生变化外，其余部P2Pf0f1f2fP图1反射式谐振腔的谐振曲线分的电磁场保持不变，因此可用微扰法处理。选择TE10P(P为奇数)的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁场最弱处，即2/,2/lzax处，且样品轴向与y轴平行，如图2所示。假设介质棒是均匀的，而谐振腔的品质因素又较高，根据谐振腔微扰理论可得下列关系式：由此可求得:式中0f、Sf分别为放入样品前后谐振腔的谐振频率；0V为谐振腔的体积，SV为样品的体积；)1(LQ为放入样品前后谐振腔有载品zayxbl样品图2TE10p模式谐振腔微扰法测量示意图0'00)1(2VVfffSs04)1(VVQSL(2)12000'VVfffSS04)1(VVQSL(3)质因素倒数的变化，即：011)1(LLSLQQQ(4)0LQ,LSQ分别为放入样品前后谐振腔的有载品质因素。由此可见通过测量0f、0LQ、sf、LSQ、0V、SV可以求得电介质的介电常数及损耗角正切tan。三、实验装置实验装置如图3所示首先，介绍一种微波器件——环行器，在理想的环行器中电磁波的传输只能沿标定的方向环行，例如一个三端口环行器（本实验中的T环行器），若标定的循环顺序依次为①端口→②端口→③端口，则从①端口输入的电磁波只能传输到端口②输出，则从②端口输入的电磁波只能传输到端口③输出，反向不能传输。图3反射式谐振腔测量介电常数的装置图衰减器吸收式波长计T环行器TE103反射谐振腔隔离器检波器示波器Y信号源X扫描输出隔离器精密衰减器单螺调配器实验中的反射谐振腔尺寸为lba22.86㎜×10.16㎜×68.16㎜，理论谐振频率为：222)2()2()2(1lpbnamfmnp（5）计算给定条件下谐振腔的谐振频率103f，信号源信号选扫频，调信号源频率使中心频率位于103f，调系统使检波器能按平方率检波（当电场E比较小时2kEI），示波器显示屏会呈现图4曲线。曲线上的“小缺口”是波长计吸收造成的，查波长计可知此处对应的频率，由此可知用“小缺口”可以测量频率。在测量频率时，为了准确，通常把谐振曲线上要测量的点位对准显示屏上的某一条线，然后调波长计使“小缺口”的尖端对准该线，查出频率。四、实验内容与实验步骤⒈如图3所示组建实验装置；⒉计算103f；⒊信号源信号选扫频，调信号源频率使中心频率位于103f，工作方式置“等幅”；示波器CH1（X）选交流耦合，CH2(Y)选直流耦合；调系统使检波器能按平方率检波(若用微安表显示，电流应在10左右)，也可用精密衰减器验证，若衰减值XY谐振腔的吸收波长计的吸收图4平方律检波后的谐振线A=32log10log100衰PP分贝（调衰减角'4032），即功率减小一半时，示波器显示屏呈现如图4曲线也下降一半距离，说明检波二极管已是平方率检波。⒋调节单螺调配器，使谐振曲线如图4；⒌测量0f和0LQ，重复三遍；⒍分别测量聚四氟乙烯、有机玻璃等三种样品的谐振频率sf和品质因素LSQ，重复三遍；⒎分别测量谐振腔和样品的体积0V,SV；⒏设计表格记录数据；⒐根据（3）式计算各样品的'、和'tan；⒑最好用列表法处理数据。五、思考题⒈请给出通过式谐振腔的谐振曲线。⒉复数介电常数的实质是什么？⒊本实验设计的TE10P型矩形谐振腔，P为什么取奇数值？⒋微扰法测量介电常数的适用条件是什么？