北郵電磁場實(shí)驗(yàn)-用諧振腔微擾法測量介電常數(shù).docx

北京郵電大學(xué)電磁場與微波測量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六 用諧振腔微擾法測量介電常數(shù)學(xué)院： 電子工程學(xué)院 班級(jí)： 2011211207 組員： 鄒夫、李貝貝、馬睿 執(zhí)筆： 李貝貝 目錄1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.實(shí)驗(yàn)原理13.實(shí)驗(yàn)裝置34.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容35.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)46思考題47.實(shí)驗(yàn)總結(jié)5 1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解諧振腔的基本知識(shí)。2、學(xué)習(xí)用諧振腔法測量介質(zhì)特性的原理和方法。2.實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是采用反射式矩形諧振腔來測量微波介質(zhì)特性的。反射式諧振腔是把一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板，構(gòu)成諧振腔，具有儲(chǔ)能、選頻等特性。諧振條件：諧振腔發(fā)生諧振時(shí)，腔長必須是半個(gè)波導(dǎo)波長的整數(shù)倍，此時(shí)，電磁波在腔內(nèi)連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波。諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL由下式確定： 式中：f0為腔的諧振頻率，f1，f2分別為半功率點(diǎn)頻率。諧振腔的Q值越高，諧振曲線越窄，因此Q值的高低除了表示諧振腔效率的高低之外，還表示頻率選擇性的好壞。如果在矩形諧振腔內(nèi)插入一樣品棒，樣品在腔中電場作用下就會(huì)極化，并在極化的過程中產(chǎn)生能量損失，因此，諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)將會(huì)變化。 圖1 反射式諧振腔諧振曲線 圖2 微找法TE10n模式矩形腔示意圖電介質(zhì)在交變電場下，其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，和介電損耗正切tan可由下列關(guān)系式表示：， ， 其中：，和，分別表示的實(shí)部和虛部。選擇TE10n，(n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x2，z2處，且樣品棒的軸向與y軸平行，如圖2所示。假設(shè)：1樣品棒的橫向尺寸d(圓形的直徑或正方形的邊長)與棒長九相比小得多(一般dh110)，y方向的退磁場可以忽略。2介質(zhì)棒樣品體積Vs遠(yuǎn)小于諧振腔體積V0，則可以認(rèn)為除樣品所在處的電磁場發(fā)生變化外，其余部分的電磁場保持不變，因此可以把樣品看成一個(gè)微擾，則樣品中的電場與外電場相等。這樣根據(jù)諧振腔的微擾理論可得下列關(guān)系式 式中：f0,fs分別為諧振腔放人樣品前后的諧振頻率， (1QL)為樣品放人前后諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)的變化，即 QL0，QLS分別為放人樣品前后的諧振腔有載品質(zhì)因數(shù)。3實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下：1 微波信號(hào)源 2隔離器 3衰減器 4波長表 5測量線 6測量線晶體7 選頻放大器 8環(huán)形器 9反射式諧振腔 10隔離器 11晶體檢波器（1） 微波信號(hào)源需工作在最佳等幅、掃描狀態(tài)。（2） 晶體檢波器接頭最好是滿足平方律檢波的，這時(shí)檢波電流表示相對功率(IP)。（3） 檢波指示器用來測量反射式諧振腔的輸出功率，量程0100A。（4） 微波的頻率用波長表測量刻度，通過查表確定微波信號(hào)的頻率。（5） 用晶體檢波器測量微波信號(hào)時(shí)，為獲得最高的檢波效率，它都裝有一可調(diào)短路活塞，調(diào)節(jié)其位置，可使檢波管處于微波的波腹。改變微波頻率時(shí)，也應(yīng)改變晶體檢波器短路活塞位置，使檢波管一直處于微波波腹的位置。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 按圖接好各部件。注意：反射式諧振腔前必須加上帶耦合孔的耦合片，接入隔離器及環(huán)形器時(shí)要注意其方向。2 開啟微波信號(hào)源，選擇“等幅”方式，預(yù)熱30分鐘。3 測量諧振腔的長度，根據(jù)公式計(jì)算它的諧振頻率，一定要保證n為奇數(shù)。4 將檢波晶體的輸出接到電流表上，用電流表測量微波的大小，在計(jì)算的諧振頻率附近微調(diào)微波頻率，使諧振腔共振，用直讀頻率計(jì)測量共振頻率。5 測量空腔的有載品質(zhì)因數(shù)，注意： f1， f2與f0的差別很小，約0003GHz。6 加載樣品，重新尋找其諧振頻率，測量其品質(zhì)因數(shù)。7 測量介質(zhì)棒及諧振腔的體積。8 計(jì)算介質(zhì)棒的介電常數(shù)和介電損耗角正切。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（介質(zhì)棒顏色為褐色）由樣品諧振腔的長66mm，寬22.86mm，高10.16mm可得V0 =15329.000立方毫米由樣品半徑0.7mm，高10.16mm 可得Vs=15.632立方毫米由樣品諧振頻率以及半功率點(diǎn)頻率可以計(jì)算出樣品諧振腔的品質(zhì)因數(shù)（f0 =9262MHz f1 =9256MHz f2 =9266MHz）=92629266-9256=926.2 樣品插入后，由諧振頻率以及半功率點(diǎn)頻率可以計(jì)算出樣品放入后的品質(zhì)因數(shù)（fs =9226MHz f1 =9220MHz f2 =9231MHz） =92269231-9220=838.7聯(lián)立實(shí)驗(yàn)原理中的各式可求得介質(zhì)棒的介電常數(shù)與介電損耗角正切。= 2.91 -0.028 =0.09496.思考題1. 如何判斷諧振腔是否諧振？答：在諧振頻率處會(huì)出現(xiàn)一吸收峰，反映在示波器上是一跌落點(diǎn)，從而判斷何處諧振。2. 本實(shí)驗(yàn)中，諧振腔諧振時(shí)，為什么“必須是奇數(shù)”？答：為了得到單一的電磁波。在本實(shí)驗(yàn)所使用的儀器安裝及測量方式中，諸如TE102等n為偶數(shù)的模式會(huì)受到抑制。對于TE101模式的電磁場，各邊緣中心處切向磁場均可達(dá)到最大值，此四處開耦合窗均可達(dá)到電感耦合的效果；而TE102模式的電磁場在本裝置開窗處所有分量全部為零，能量無法耦合到下一個(gè)諧振腔。3.若用傳輸式諧振腔如何測量介質(zhì)的介電常數(shù)，可否畫出實(shí)驗(yàn)裝置。答：傳輸式諧振腔與反射式諧振腔的最大差別在于諧振時(shí)達(dá)到最大值的峰值而非吸收峰，因此下圖模式的接法（與本實(shí)驗(yàn)基本相同）即可，只不過觀察吸收峰變?yōu)榱擞^察極大值點(diǎn)。7.實(shí)驗(yàn)總結(jié) 諧振腔微擾法測量介電常數(shù)是一個(gè)操作起來較為簡單的實(shí)驗(yàn)，但由于我們這一組實(shí)驗(yàn)儀器出了問題，于是最終借助其他組的儀