微波介质电特性测量

第9章 微波介质电特性测量1 概述不导电的物质或导电性能不好的物质称为电介质，简称介质。

微波设备中用了许多类型的介质材料，介质材料的电性能直接关系到电子设备及器件的质量好坏。

1.1 复数介电常数复数介电常数*ε可表示为： )(00*εεεεεε''-'==j r式中，r ε为复数相对介电常数（通常称为复介电常数）；0ε为自由空间的介电常数，0ε=0.885 4×10-11F/M 。

)1()1(/0*δεεεεεεεεεjtg j j r -'='''-'=''-'== 式中，ε'为相对介电常数（通常称为介电常数）；ε''为表示材料中发生的损耗；δ为介质的电损耗角。

通常认为ε'和δtg 是表示介质材料电性能的重要参数；ε'表示在外电场作用下，介质材料贮存能量的本领；δtg 表示介质材料在外电场作用下，周期内热功损耗与贮存功率之比，是衡量介质材料损耗大小的参量。

1.2 微波复介电常数测量方法分类微波频段测量介质材料电性能的方法很多，概括起来可分为五大类，如表9-1所示。

表9-1 微波介质材料测量方法分类2 传输线法传输线法是将介质样品放在矩形波导或同轴线内（或开路传输线外），由直接测量波导段（或同轴线段）样品前面的驻波参量或反射参量来确定介质电特性。

传输线法目前已在300MHz 到40GHz 的宽广频段上使用。

它可以测量固体、液体和气体。

但实际中测量固体较多，所以，这里主要介绍固体介质测量的几种典型方法。

2.1 端短路法端短路法是将介质制成长方形（或环形）样品，填充在短路波导(或同轴线)末端，由测量介质样品段的驻波参量确定介质电特性的方法。

2.1.1 测试原理终端短路的波导置入样品后，由于波导内填充介质段的波导波长ελ比填充空气段的波导波长g λ短，导致介质前波导段中驻波最小点往终端方向移动。

另外，介质样品的损耗又使驻波节点处的电场强度增大。

据波导段填充介质样品前后驻波最小点的变化量及驻波系数S 可由公式推算出介质的ε'及δtg 。

2.3 长样品法长样品法是测量大损耗介质电特性的方法。

样品做得很长，放在介质样品波导段中，并使样品的输入面与测量线的法兰盘面一致。

对介质波导段的要求及所用测试系统与终端短路法相同。

2.3.1 测试原理由于介质样品很长，使得介质波导段终端的反射波在到达输入端面前几乎全被衰减掉。

这时，样品输入端的等效阻抗便是样品波导段的特性阻抗。

而样品波导段的归一化特性阻抗仅与波导中填充介质的复介电常数有关，它可由沿线的驻波最小点及驻波系数S 求得。

因此，长样品法测量介质，就称为对介质波导段（长样品前）的驻波参量的测量。

2.4 同轴测量线法同轴测量线法是测量液体介质复介电常数最简单的方法。

将同轴测量线两端的绝缘子（圆盘形）与内外导体间密封好，就称为液体介质的测量装置。

若开槽位置不在正上方，可将一侧垫起；也可改装测量线，使之成为适合测量液体介质的结构。

2.4.1测试原理同轴测量线终端短路后形成驻波，其驻波参数与测量线内填充的介质电性能有关。

介质中波长随ε'变化，驻波系数与介质损耗有关。

所以由测量线中介质波长及驻波系数的测量可确定介质样品的ε'及δtg 。

2.5 同轴线终端开路发同轴线终端开路发是对大损耗介质的一种非破坏性测量方法。

采用一段填充介质（聚四氟乙烯）且终端开路的标准同轴线为传感器。

2.5.1 测试原理介质样品紧贴同轴线开路端面。

据传输线理论，样品对开路端面边界场产生扰动，使同轴线上复反射系数发生变化。

利用复反射系数与介电特性的关系可确定介质的复介电常数。

3 闭腔谐振法闭式谐振腔（简称闭腔），是具有分布参数封闭导电壁的谐振系统。

在谐振腔内，横向和纵向电磁波都受到导电壁的反射；入射波和反射波相叠加，形成电磁驻波。

它不能传播能量，只能做电磁能量转换，在能量转换过程中形成震荡。

介质样品置入闭腔谐振器中，由测量它的有关谐振参数来确定介质电特性的方法，称闭腔谐振法。

该方法可测固体、液体和气体，这里重点介绍测量固体介质。

3.1 H 01n 谐振腔法H 01n 谐振腔法是用H 01n 谐振腔测量圆盘形样品。

因这种方法使用方便、测试精度高，在从8.2GHz 到35GHz 频段内广泛应用。

3.1.1 测试原理在某一确定的频率下谐振腔谐振时，腔长为0l ，无载品质因素为0Q 。

谐振腔放入样品后，由于样品中相位常数比空气中大，故谐振腔失谐。

改变腔体长度使它重新谐振，其腔长为εl 。

此外，介质样品引入附加的损耗，使谐振腔品质因数下降为εQ 。

根据放入样品前后谐振腔长度及品质因数的变化，可确定介质的ε'及δtg 。

3.2 微扰法微扰法是以微扰理论为基础，在谐振腔中测量小样品介电特性的方法。

该方法对所用谐振腔和样品精度要求都不象H 01n 谐振腔法那样高，计算公式也简单，但测试准确度不高。

该方法已在1GHz 到18GHz 频段上广泛使用。

3.2.1 测试原理微扰谐振腔在尺寸确定后，它的谐振频率为0f ，固有品质因数为0Q 。

当介质小样品置于腔中电场最大、磁场为零的位置时，样品引起腔中电磁场扰动使谐振频率降为εf ，固有品质因数降低为ε0Q 。

若样品的体积远小于谐振腔的体积，这种扰动是微弱的，腔体参数变化也是较小的。

按微扰理论可推导出由样品扰动引起的频率变化εf f f -=∆0及品质因数的改变仅与介质样品的ε'及δtg 有关系。

所以，微扰法测量介质的复介电常数，即为置入样品前后微扰腔谐振频率及品质因数的测量。

3.3 可复制几何形状样品的谐振腔法将被测介质按标准样品（已知ε'）的形状及尺寸精确复制出来，置入谐振腔内测量其介电特性的方法称可复制几何形状样品的谐振腔法。

4 开腔谐振法敞开导电壁的谐振腔，称为开式谐振腔（简称开腔）。

开腔总置入样品后，由测量其参数变化来确定介质电特性的方法称开腔谐振法。

这里只介绍高Q 开腔谐振法和介质开腔谐振法（也称介质谐振腔法）。

4.1 高Q 开腔谐振法高Q 开腔谐振法已在8~140GHz 频段广泛使用，主要测量低损耗各向同性及均匀分布各向异性材料。

谐振腔有多种形式，这里只介绍常用的对称球面腔和非对称球面腔。

具体测试方法与H 01n 谐振腔法基本相同。

在固定点频上，由改变谐振腔长度使腔谐振，并由腔内置入样品前后谐振腔长度及Q 值的变化来确定介质的ε'及δtg 。

4.2 介质谐振腔法介质谐振腔法是用被测介质制成谐振腔，用来测量ε'介质电特性的方法。

此方法常在10cm 到8cm 频段测量ε'从30到100的介质材料。

5 微波电桥法微波电桥法是在微波频段用来测量大损耗固体、液体介质复介电常数的方法。

5.1 液体电桥法液体电桥如图所示。

两个桥臂分别为参考桥臂和样品桥臂。

参考桥臂放有衰减器，预先调好一个衰减量。

样品桥臂，波导内充满液体样品。

固体介质楔用来盛放液体及降低反射。

另外在样品臂中还放有精密可变衰减器。

整个电桥放在一个斜面上，以减小气、液交界面上不必要的反射。

微波信号分成相等的两路，进入两个桥臂。

测量液体介质时，将液体样品注入波导内形成可变长度的液体柱。

电桥平衡操作过程中液体柱作为可变移相器使用。

电桥平衡，作为液体柱长度的函数画出曲线。

曲线的横坐标为液体柱长度。

纵坐标为精密衰减器的读数。

由曲线的斜率确定液体介质损耗。

5.2 空间电桥法空间电桥法如图所示。

参考臂放有衰减器和移相器。

样品桥臂中，两个号角天线中间放有圆盘装样品。

号角天线发出的能量是平面极化的电磁波，其电矢量平行波导的窄边。

而样品沿着穿过号角天线的轴心线旋转，可极化辐射，测量各向异性介质材料。

当被测介质为液体时，可放入低损耗圆盘形薄壁容器中，按测固体的方法测量其电特性。

5.3 波导电桥法波导电桥的样品桥臂，由H 10矩形波导或TEM 同轴线构成。

样品制成长方形或环形，置入样品桥臂。

参考桥臂内置入衰减器和移相器（可用测量线代替）。

5.3.1 测试原理当进入电桥两个桥臂的信号幅度相等、相位相反时，电桥输出指示为最小值。

如图所示，测量线测出的驻波最小值接近于零。

将介质样品置入桥臂后引起相移和衰减的变化；这种变化仅与介质样品的ε'及δtg 有关系。

所以将两个不同长度的样品（同种材料）1l 和2l ，分布置入样品桥臂，测出其衰减量A 1、A 2和相移量P 1、P 2。

便可确定其复介电常数。

6 时域法时域法是用时域技术测量介质材料频域复介电常数的方法。

该方法具有测量频段极宽（从10kHz 到10GHz ），测量速度极快、使用设备简单等优点。

只是测量介质的δtg 时精度不高。

它适合大、中损耗的固体、液体及离体生物介质的测量。

6.1 同轴线终端短路时域法样品制成圆环形，放样品的同轴线为标准空气线。

6.1.1 测试原理将环形样品放在短路同轴线末端。

上升时间为几十皮秒的的脉冲加在样品上，用取样示波器测量脉冲波形，因为它具有极丰富的谐波分量。

经计算机进行傅立叶变换可得到宽频域复反射系数。

而复反射系数大小仅与介质样品的电特性有关系。

因此，用时域技术测量介质（A-A 面）的频域复反射系数，可得到复介电常数宽带域频率特性。

6.2 终端电容法终端电容法是将小样品放在标准空气线内导体的间隙里，如图所示。

用6.1节的方法及测试系统，测量A-A 面的复反射系数)(11jw S 及无样品时内导体间隙电容C 0，通过计算，可求出宽频带范围内的复介电常数。

6.2 同轴线终端开路时域法同轴线终端开路时域法，是对介质非破坏性测试的时域法。

适合大损耗及ε'偏高的固体、液体及生物体复介电特性的测量。

近些年常用做微波生物波谱测量。

因生物组织ε'高，δtg 大、热灵敏度高、变化大，最适合非破坏性、快速测量。

第13章 失真参数的计量测试1 基本概念1.1 失真的概念与特点在无线电电子学及电子工程中所讲的失真是指信号波形的失真。

对于应用极为广泛的正弦信号而言，失真是以理想的纯正弦（基波）信号作为参考，看被比较的信号偏离理想波形的程度。

偏离越大，失真越大。

1.2 失真的分类（1）线性失真，又分为：A：幅频失真；B：相频失真。

（2）非线性失真，又分为：A：非线性谐波失真；B：非线性互调失真。

线性失真是指含有不同频率成分的信号通过由线性元件组成的线性系统后，使输出信号中各频率分量的幅度或相位失去了原有的比例关系，从而导致信号波形的失真。

非线性失真是指信号通过由有源或无源非线性器件组成的非线性系统后，其输出信号中产生了原信号所没有的新的频率分量，由此引起的信号波形的失真。

失真的大小直接与系统的非线性程度有关，因此，它相应成为该系统非线性程度的一个量度。