介电常数测量

测量介电常数的方法探究

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测量介电常数的方法探究

介电常数应用在科技的方方面面，但是如何测得介电常数以保证需要呢，本文就几种主流测量方法进行了探究。

主流的测量介电常数的方法即空间波法和探针法。

空间波法：空间波法是一种介电常数的实地检测法。用该方法测量介电常数时，可以将测量仪器拿到被测物所在位置进行无损的实地测量，可获得最接近微波遥感真实值的介电常数。

微波遥感的典型目标，如土壤、沙地岩石、水体、冰雪、各类作物、各类草地、森林等，当其表面统计粗糙度远远小于所使用的波长时可用菲涅尔反射系数描述其介电常数与观测角之间的关系：

R

∥

=（cosθ- εr−sin2θ）/（cosθ+ εr−sin2θ）（1）

R

⊥

=（εr cosθ- εr−sin2θ）/（εr cosθ+ εr−sin2θ）（2）

其中εr为目标物的相对介电常数，R

∥为水平极化反射系数，R

⊥

为垂直极化反

射系数，θ为入射角。只要测得以上参数，经过绝对定标或者相对定标后，通过数学运算就可以反演得到介电常数。

空间波测量介电常数是利用菲涅尔反射定律进行的，要求所用波长大于被测目标的统计粗糙度，在粗糙度大时会影响精度，这时必须引入粗糙度修正量。可以利用加大观测角以提高粗糙表面物的测量精度，从实际中，对土壤、草丛、冰的测量结果看是比较好的。

探针法：在探针法实地测量介质介电常数时，探针的位置一般有两种：即全部没入待测介质中和探针位于空气和介质构成的接触面上。在两种情况下，样品的介电常数都可以通过在非谐振时测量的反射波、传输波或者谐振时测量的谐振频率和3dB带宽等参数来反演得到。

探针法测量介电常数，可以使用的探针有：单极振子、波导和同轴线等。相对于其他探针，单极振子的结构简单，测量方便，且可以获得相对比较精确地测量结果，是目前探针法实地测量介电常数研究中的一个热点。

单极振子：用单极振子探针法测量介电常数主要是通过测量反射系数ρ、

天线的输入阻抗Z

n （或导纳Y）、S参数、天线谐振长度h

r

和激励电阻抗R

r

或谐

振频率f

s

和3dB带宽的变化等来反眼。这些放发根据原理和测量值的不同可以

分为反射法、传输发和谐振法。

波导探针：微波可以穿透介质并且在不连续点产生的反射波与介质的电特性有关，由此发展了许多使用微波非破坏性技术来测量材料在微波频率的电磁性质。现有一种在8-12GHz频率范围内使用一个边缘开端矩形波导探针同时测材料的复介电常数和导磁率的技术。在该技术中，由非连续接触面的边界条件，得到了关于未知孔径电厂的两个积分等式（EFLE`s）。假定探针孔径中的总电场不仅包

括TE

10

模，而且还有无限的高阶模式，由矩量法可以解决EFLE`s。当孔径的电厂精确决定之后，其他相关的系数如主模下探针的输入导纳和反射系数等，都可以计算出来，从而很容易得到介质的介电常数。

同轴线探针：这是很常见的一种测量介电常数的方法，同时也是地物（特别是植被）宽带测量介电常数的一种较为精确和方便的方法。

介电常数εφ的测量方法建立在传输线理论、特性阻抗和传输常熟基础上，以一定函数关系同实际可测量值之间存在联系。这里测量的是介质端接同轴线探针引起的矢量反射系数ρ，在探针顶端ρ的表达式为：

ρ=Z L−Z0

Z L+Z0

=

Y0−Y L

Y0+Y L

在同轴探针法测量介电常数的基本原理上，又有人提出了针对各种具体情况下改进的测量方法。如FadhelM.Ghannouchi等早他们的文章中描述了使用自动流端口反射计来非破坏性宽带测量介电常数的方法。他们提出的方法对于测量相对高损耗的液体是非常适用的，可以获得精确的结果。Katie Stacbell等提出使用开端同轴线作为传感器和用准静态分析来模拟同轴孔径的方法。这个理论提出了一个是系统更加完善的修正方案，而从材料反射和传输的电磁波包含着的有用信息可以确定和材料相关的电特性。