实验三 利用谐振腔及微扰法测试介质参数试验

实验三利用谐振腔及微扰法测试介质参数试验

一、预习要求

1、什么是微波谐振腔？

2、什么是微扰法？

3、了解测试系统的基本组成

二、实验目的

1、认识谐振腔，理解耦合的原理和作用

2、通过了解介质微扰的特性

3、掌握介质参数测试原理

三、实验原理

本装置的基本形式是四分之一波长开路同轴传输线谐振腔（以后简称开路腔）。通过加装短路块，可构成电容加载的同轴传输线谐振腔（以后简称加载腔）。与标量网络分析仪配合，可做谐振腔各项参数的测量，也可用作介质参数测量的传感器。

`本装置由腔体、内导体、耦合元件及传动、读数机构组成。通过耦合元件可在谐振腔中激励（或耦合）同轴传输线中的TEM模。

腔体机构图如图1，其内径为24mm、内导体直径为8mm、内导体自短路面伸入腔体最大长度42mm、调节范围25mm。对开路腔而言，其谐振频率范围为1.8~4.3GHz。腔体和内导体均为HPb—59黄铜制作。表面涂复7μm银层。特性阻抗65.8Ω。

本装置配备有耦合环和耦合探针各两件。学生可根据兴趣组成不同耦合方式的反射型或传输型谐振腔。

通过螺旋测微器，可精确调节和显示内导体的位置，并可将其固定。在开路腔、内导体开路端内外导体间，装入小尺寸的介质样品环。读出加入样品前后，谐振频率和有载品质因数的变化。根据微扰原理，可计算样品的介电常数实部ε'和损耗角正切tanδ。

端盖

图1谐振腔结构示意图

四、实验内容与步骤

1、谐振腔的激励与耦合；

谐振腔由其耦合方式不同可以分为反射型和传输型两种类型，分别介绍如下：

1.1．反射型谐振腔：

将耦合环和耦合探针插入谐振腔任一耦合孔中，将其与标量网络分析仪的定向器件（驻波比桥或定向耦合器）测试端相连。扫描范围设定为1.8~4.3GHz，调节耦合环的插入深度、方向。可在显示屏上观测到谐振腔反射的频率响应曲线（反射谐振曲线）。继续调节耦合环的插入深度和方向，使在感兴趣的频率上接近匹配状态。（反射损耗—dB数最大或驻波比最小）。则表明，谐振腔为临界耦合。在调节过程中，可以发现，临界耦合时，谐振峰最尖锐，有载Q值最高，其频率分辨率最高。过耦合或欠耦合则不佳。

1.2传输型谐振腔：

将上述谐振腔耦合端与标量网络分析仪信号输出端相连。在谐振腔另一耦合孔中也插入耦合环或耦合探针。并经检波器接至标量网络分析仪显示通道。调节输入和输出耦合环的插入深度和方向，可在显示屏上观测到谐振腔传输的频率响应曲线（传输谐振曲线）。在感兴趣的频率上，将衰减调至最小（尽量接近0dB ），则表明谐振腔为临界耦合。在调节过程中，可以发现，临界耦合时，谐振峰最尖锐，有载Q 值最高，其频率分辨率最高。过耦合或欠耦合则不佳。 2、谐振频率、有载品质因数（Q 值）、端电容及腔体多谐性的测量

2.1谐振频率和有载Q 值的测量；

将上述传输型开路腔接至测量系统中，找到需要测量的频率点。适当减小仪器的扫频范围，以便能清晰地读出谐振曲线衰减最小点（Amin ）及其对应的频率值。此频率既是谐振频率

f 。然后，读出

f 两边半功率点（3dB 处）所对应

的频率1f 和2f .则腔体的有载品质因数为：

2

10f f f Q L -=

………………………………………………………… ⑴

由于耦合机构、外界负载等影响，有载Q 值不同于空载Q 值。 2.2 加载腔端电容C 的测量

打开开路腔的端盖,放入短路块,再用端盖压紧.旋转螺旋测微器使内导体开路端与短路块接触.(不要用力过猛,以免损坏仪器精度).记下此时测微器刻度.反方向旋转测微器使内导体开路端与短路块离开要求的距离t.并顺时针方向旋转读数窗上方的黑色旋钮,将其固定.在网络分析仪显示屏上读得谐振频率0

f ,按下

式计算端电容C:

⎪⎭⎫

⎝⎛=

v f ctg z f C c 00221

ππ……………………………………⑵ 其中:C 为端电容,单位F(法拉).

f 为谐振频率,单位Hz(赫兹). v 为光速:

8

10

*3米/秒或10

10*3厘米/秒. 为腔长:对应内导体开路端至短路点的距离.可用

卡尺测量。

注意:公式中 的单位应与光速中长度单位一致.三角函数按弧度(RAD)计算. 旋转测微器读数套筒前，必须将锁定旋钮松开，否则会造成仪表损坏。 对同样的频率调节范围，加载腔的长度明显的小于开路腔长度，因此，体积可以做得较小

2.3 多谐性的测量

将上述传输型或反射型开路腔接入测量系统中.将仪器的扫频范围最大限度调宽.可在显示屏上发现多个谐振点.记下各谐振点的频率值.其谐振频率应符合下式:

()

4120v P f -=…………………………………………⑶

其中:v 和 如前所述.P =1、２、３……。 3、介质参数测量

用微扰法测量小尺寸样品的介质参数。

将四分之一波长开路腔接入测量系统中，通过调节测微器在要求的频率点谐振。顺时针方向旋转测微器读数窗上方黑色旋钮，将其固定。由下式``````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````计算出空腔的有载品质因数:

2

100f f f Q L -=

………………………………………………⑷

将被测介质环放到工具棒的一端相应的圆形凹槽中。打开开路腔端盖，沿轴向将装有介质环的工具棒推入，直至与内导体顶紧。将工具棒取出，确认介质环已置于内导体与腔壁间。（距内导体开路端内约1mm ）。读出此时的谐振频率S

f 和

半功率点频率

'

1f 和

'

2

f 。按下式计算介质加载腔的有载品质因数

'

-'=

2

1f f f Q s LS ……………………………………………………⑸

然后，按下面的方程组，计算ε'和ε''