微波介质

微波介质特性的测量
微波技术中广泛使用各种介质材料，其中包括电介质和铁氧体材料，对微波材料的介质特性的测量，有助于获得材料的结构信息，研究了的微波特性和设计微波器件。

本实验采用谐振腔微扰法测量介质材料的特性参量，学习反射式腔测量微波材料的介电常数ε'和介电损耗角tg δ的原理和方法。

一、 实验原理
谐振腔是两端封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特性，常见的谐振腔有矩形和圆柱形两种，本实验采用反射式矩形谐振腔，谐振腔有载品质因数可由
2
10f f f Q -=
测定，其中0f 为谐振腔振频率，1f ，2f 分别为半功率点频率。

图8.2.1所示是使用平方律检波的晶体管观测谐振曲线0f ，1f 和2f 的示意图。

如果在矩形谐振腔内插入一圆柱形的样品棒，样品在腔中电场的作用下就会被极化，并在极化的过程中产生的能量损失。

因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。

根据电磁场理论，电介质在交变电场的作用下，存在转向极化，且在极化时存在驰豫，因此它的介电常量为复数：
ε)( '''00εεεεεj r -==
式中ε为复电常量，0ε为真空介电常量，r ε为介质材料的复相对介电常量，
'
ε、'
'ε分别为复介电常量的实部和虚部。

由于存在驰豫，电介质在交变电场的作用下产生的电位移滞后电场一个相位角δ，且有
tg δ＝''ε/'ε
因为电介质的能量损耗与tg δ成正比，因此tg δ也称为损耗因子或损耗角正切。

如果所用的样品体积远小于谐振腔体积，则可认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可用微扰法处理。

选择p TE 10（p
为奇数）的谐振腔，将样品置于谐振腔内的微波电场最强而磁场最弱处，即x=a/2，z=l/2处，且样品棒的轴向与y 轴平行。

假设介质棒实均匀的，而谐振腔的品质因数又较高，根据谐振腔的微扰理论可得下列关系式
(
).
41,
1
20
'
'0
'
00
V V Q V V
f f f S L
S
S ε
ε=∆--=-
如此可求得
(),
/4/1,
1/20
''000'
V V Q V V f f f S L S S ∆=
+-=εε
其中0f ，S f 分别为谐振腔放入样品前后的谐振频率，S V ，0V 分别为谐振腔体积和样品体积，()L Q /1∆为样品放入前后谐振腔又载品质因数的变化，即
.111
L LS L
Q Q Q -=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛∆ LS
Q ，0L Q 分别为样品放入前后的谐振腔有载品质因数。

二．实验内容
一、
准备
按照要求顺序连接实验装置，用固态源作微波源。

打开固态源电源开关，选择等幅、扫频方式，扫描输出接至示波器CH1，晶体检波器输出接至示波器CH2，示波器显示方式选择双路同时显示。

二、
测定介电常量'ε和介电损耗角正切tg δ。

1． 放入样品前，调节频率调节旋钮、可变衰减器、晶体检波器，使谐振腔
谐振，调节单螺调配器，使谐振曲线两边等高。

调节波长表，测量谐振腔谐振频率0f 和半功率点频率1f 和2f 。

（注意：波长表的出厂序号与波长表频率－刻度对照表序号要对应） 2．放入样品后，测量谐振腔谐振频率'
0f 和半功率点频率'1f 和'2f 。

3．从谐振腔标签上记下谐振腔的长、宽、高，计算其体积0V ；记下样品半
径、长度，计算体积S V 。

4．计算样品的介电常量'ε和介电损耗角正切tg δ。

附：
介质材料： 半径0.7 mm 长度10.16 mm 白色样品：聚四氟乙烯； 透明样品：有机玻璃； 褐色样品：黑焦木。