微扰微波测介电常数的测量.docx

微波介质介电常数的测量【摘要】：采用谐振腔微扰法测量介质材料的特性参量，首先使用示波器观测速调管的振荡模和反射式腔的谐振曲线，进而用反射式腔测量微波材料的介电常数/和介电损耗角正切tgd的原理和方法.【关键词】介电常数/介电损耗角正切tgd品质因数谐振频率【正文】一、引言：本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性的。反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，构成谐振腔，具有储能、选频等特性。谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波在腔内连续反射,产生驻波。谐振腔的有载品质因数QL由下式确定：Qli-式中：fo为腔的谐振频率，6,f2分别为半功率点频率。谐振腔的Q值越高，谐振曲线越窄，因此Q值的上下除了表示谐振腔效率的上下之外，还表示频率选择性的好坏。如果在矩形谐振腔内插入一样品棒，样品在腔中电场作用下就会极化，并在极化的过程中产生能量损失,因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。电介质在交变电场下，其介电常数£为复数，£和介电损耗正切tan可由以下关系式表示：£"-,-j"，tan=,其中：£.和.分别表示E的实部和虚部。二、实验装置：实验装置如图8.2.3所示，微波信号源包括速调管电源、速调管和速调管座三局部，其中微波信号频率可由速调管的机械调谐旋钮改变.调制信号由低频信号发生器产生，选择锯齿波对速调管加以调制，使速调管处于调频工作状态.反射式谐振腔采用TEK）P（P为奇数）模式的矩形谐振腔.图8.23实验装置示意图三、原理：谐振腔是一端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，木实验采用反射式矩形谐振腔.谐振腔有载品质因数可由Q=W1（8.2.1）测定.其中为谐振腔谐振频率，力、及分别为半功率点频率.图8.2.1所示是使用平方律检波的晶体管观测谐振曲线庆、力和我的示意图.如果在矩形谐振腔内插入一圆柱形样品棒，样品在腔中电场的作用下就会被极化，并在极化的过程中产生能量损失，因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化.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，且在极化时存在驰豫，因此它的介电常数为复数：&二盼胪服a-芦）（8.2.2）式中e为复介电常数，电为真空介电常数，当为介质材料的复相对介电常数，/、分别为复介电常数的实部和虚部.由于存在着驰豫，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d,且有(8.2.3)因为电介质的能量损耗与tgd成正比，因此tgd也称为损耗因子或损耗角正切.如果所用样品体积远小于谐振腔体积，那么可认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余局部的电磁场保持不变，因此可用微扰法处理.选择TElOP(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"aA处，且样品棒的轴向与),轴平行.如图8.2.2所示.图8.22微扰法TEIoP模式矩形腔示意图假设介质棒是均匀的，而谐振腔的品质因数又较高，根据谐振腔的微扰理论可得以下关系式伉-力仇=2(E)匕/%WQL=4kPJ%由此可求得W+12 =(iz(4 匕/喔(8.2.4)其中左、人分别为谐振腔放入样品前后的谐振频率；、K分别为谐振腔体积和样品体积；仅1/仇)为样品放入前后谐振腔有载品质因数的倒数的变化，即=1Qls-I/QloQo,Qri分别为样品放入前后的谐振腔有载品质因数.四、实验内容：1.用示波器观察速调管振荡模开启微波信号源和低频信号发生器，调节速调管输出频率，使反射式谐振腔处于失谐状态，同时调节晶体检波器处于匹配状态，观察速调管振荡模曲线.2 .观察反射式谐振腔的谐振曲线在速调管输出为最正确振荡模时，旋转速调管上的机械调谐旋钮，改变速调管的输出信号频率，同时调节晶体检波器，直到谐振腔产生谐振为止.观察反射式谐振腔的谐振曲线.3 .测定介电常数和介电损耗角正切tgd(1)放入样品前，测量谐振腔谐振频率/和半功率点频率力和力.(2)放入样品后，测量谐振腔谐振频率向和半功率点频率力C和及¢.(提示：调节速调管上的机械调谐旋钮，使谐振腔再次谐振).(3)测出样品体积K和谐振腔体积V0.(4)计算介电常数e,和介电损耗角正切tgd.问题思考：I.如何改变微波信号频率使反射式谐振腔发生谐振？2.影响测量介电常数和介电损耗角精确度的因素有哪些？