用諧振腔微擾法測定微波電介質的介電常數(shù)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上用諧振腔微擾法測定微波電介質的介電常數(shù)隨著微波技術的飛速發(fā)展，微波材料及微波器件設計得到了深入研究。微波工程中廣泛應用各種介質材料，微波介質材料的介電常數(shù)和介電損耗角正切，是研究材料的微波特性和設計微波器件必須了解的重要參數(shù)，因此，準確測量這兩個參量十分重要。本實驗介紹一種常用的測量方法，即采用諧振腔微擾法測量介質的介電常數(shù)。一、 實驗目的了解諧振腔微擾法測量介質介電常數(shù)的實驗原理；了解微波元器件，組建微波測量系統(tǒng)，調試系統(tǒng)測量介電常數(shù)。二、 實驗原理 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，電介質在交變電場的作用下，存在轉向極化，且在極化時存在弛豫

2、，因此，微波電介質的介電常數(shù)一般是復數(shù)： （1）其中是真空的介電常數(shù)，是相對介電常數(shù)；電介質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，電介質的能量損耗與成正比， 故稱為介電損耗角正切； 當<<1時，可以認為是“無耗介質”，近似為實數(shù)。若介質的損耗很小，常采用諧振腔微擾法測量微波介質的介電常數(shù)。諧振腔微擾法測量微波介質的介電常數(shù)諧振腔是封閉的金屬導體空腔，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因素Q，它表明諧振效率的高低,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，

3、則諧振腔的品質因素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因素值。品質因素的一般定義是為諧振腔的諧振頻率。事實上有載品質因素，可由實驗測定，分別為半功率點的頻率，如圖1所示。f0f1f2fP圖1反射式諧振腔的諧振曲線如果在矩形諧振腔內插入一圓柱形細樣品，樣品被極化，會導致諧振腔的諧振頻率和品質因素發(fā)生改變。如果樣品的體積遠小于諧振腔體積，則可認為除樣品位置處電磁場發(fā)生變化外，其余部分的電磁場保持不變，因此可用微擾法處理。選擇TE10P(P為奇數(shù))的諧振腔，將樣品置于諧振腔內微波電場最強而磁場最弱處，即處，且樣品軸向與軸平行，如圖2所示。zyxb樣品

4、圖2 TE10p模式諧振腔微擾法測量示意圖假設介質棒是均勻的，而諧振腔的品質因素又較高，根據(jù)諧振腔微擾理論可得下列關系式： (2) (3)由此可求得: 式中、分別為放入樣品前后諧振腔的諧振頻率；為諧振腔的體積，為樣品的體積；為放入樣品前后諧振腔有載品質因素倒數(shù)的變化，即： (4),分別為放入樣品前后諧振腔的有載品質因素。由此可見通過測量、可以求得電介質的介電常數(shù)及損耗角正切。三、 實驗裝置 實驗裝置如圖3所示圖3 反射式諧振腔測量介電常數(shù)的裝置圖衰減器吸收式波長計T環(huán)行器TE103反射諧振腔隔離器檢波器示波器Y信號源X掃描輸出隔 離 器精密衰減器單螺調配器首先，介紹 一種微波器件環(huán)行器，在理想

5、的環(huán)行器中電磁波的傳輸只能沿標定的方向環(huán)行，例如一個三端口環(huán)行器（本實驗中的T環(huán)行器），若標定的循環(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?，反向不能傳輸。實驗中的反射諧振腔尺寸為22.86×10.16×68.16，理論諧振頻率為： （5）XY諧振腔的吸收波長計的吸收圖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，信號源信號選掃頻，調信號源頻率使中心頻率位于，調系統(tǒng)使檢波器能按平方率檢波（當電場E比較小時），示波器顯示屏會呈現(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的頻率，由

6、此可知用“小缺口”可以測量頻率。 在測量頻率時，為了準確，通常把諧振曲線上要測量的點位對準顯示屏上的某一條線，然后調波長計使“小缺口”的尖端對準該線，查出頻率。四、實驗內容與實驗步驟如圖3所示組建實驗裝置；計算；信號源信號選掃頻，調信號源頻率使中心頻率位于，工作方式置“等幅”；示波器CH1（X）選交流耦合，CH2(Y)選直流耦合；調系統(tǒng)使檢波器能按平方率檢波(若用微安表顯示，電流應在10左右)，也可用精密衰減器驗證，若衰減值A=分貝（調衰減角），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。調節(jié)單螺調配器，使諧振曲線如圖4；測量和，重復三遍；分別測量聚四氟乙烯、有機玻璃等三種樣品的諧振頻率和品質因素，重復三遍；分別測量諧振腔和樣品的體積,；設計表格記錄數(shù)據(jù)；根據(jù)（3）式計算各樣品的、和