最新微波介质特性的测量

微波介质特性的测量

实验十六 微波介质特性的测量

一、引言

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，研究材料的微波特性和设计微波器件，。本实验采用谐振控微扰法测量介质材料的特性参量，首先使用示波器观测速调管的振荡模和反射式腔的谐振曲线，了解谐振腔的工作特性；进而学习用反射式腔测量微波材料的介电常数ε’和介电损耗角正切tg δ的原理方法。

二、实验原理

谐振腔是两端封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特征，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

012||

f Q f f =- （16-1）

测定，其中0f 为谐振腔谐振频率，1f 、2f 分别为半工功率点频率。图16-1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。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，因此它的介电量为复数：

00(''')j γεεεεεε==- （16-2）

式中ε为复介电常量，0ε为真空，γε为介质材料的复相对介电常量，'ε、分别为复介电常量的实部和虚部。由于存在着驰豫，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 εδε

= （16-3） 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10p TE （p 为奇数）的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁场最弱处，即2x α

=，12

z =处，且样品棒的轴向与y 轴平行。如图16-2所示。

假如介质棒是均匀的，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

'000''02(1),14.x s s L f f V f V V Q V εε-⎫=--⎪⎪⎬⎪=⎪⎭

（16-4） 由此可求得：

0000'1,2/(1/)''.4/s s L S f f f V V Q V V εε-⎫=

+⎪⎪⎬⎪=⎪⎭ (16-5) 其中0f 、s f 分别为谐振腔放入样品的前后谐振频率，0V 、S V 分别为体积和样品体积，(1/)L Q 为样品放入前后谐振腔有载品质因数的倒数的变化，即

111L LS LO

Q Q Q ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ (16-6) 一、 实验装置

本实验的装置见图16-4，下面介绍一些波导型微波元件的结构和使用方法。如图16-3所示。

1．隔离器 这是一种铁氧体非互易性器件，通常是将微波铁氧体（有的还要

附加吸收片）置于一段直波导内的恰当位置，并外加恒定磁场而成，隔离器只允许微波沿一个方向传输，对相反方向传输的微波呈电阻性吸收，隔离器常用于振荡器与可负载之间，起隔离和单向传输作用。

2．衰减器 这是一种电阻性器件，分为固定式和可变式两类，在实验中应用

较多的可变衰减器是通过在直波导内加装可移动的衰减器片（通常是镀有电阻性材料的玻璃片）而成，可变衰减分为平移式、插入式和旋转式等几种，通过改变衰减片在导波的位置，面积大小或取向可以连续地改

变衰减量的大小，可变衰减器的外部有反映衰减片位置的刻度，通过厂家所附衰减曲线图或表格可查出相应的衰减量，衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。

3．匹配负载通过做成波导段的形式，内置吸收片，吸收片做成特殊的劈形，以实现与波导间的缓慢过度匹配，终端短路，进入匹配负载的入射微波功率几乎全部被吸收，通常要求驻波比p<1.06，相当于没有反射。4．晶体检波器它的典型机构是在一段直波导上加装微波检波二极管、短路活塞活调配螺钉而成。晶体检波二极管置于平行微波电场方向，当有微波输入时，在晶体中感应出微拨信号。短路活塞和调配螺钉是为了保证检波器有较高的灵敏度和较好的匹配特征。

5．频率（波长）计教学实验中用得较多的是“吸收式”谐振频率计，谐振式

GH的数字读出频率计包含一个装有调谐柱塞的圆拄形空腔，腔外有

z 器，空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上，谐振式频率计的腔体通过耦合元件与待测微波信号的传输导相连接，形成波导分支。当频率计的腔体失谐时，腔内的电磁场极为微弱，此时它不吸收微波功率，也基本上不影响波导中波的传输，相应地系统终端输出端的信号检测器上所指示的为一恒定大小的信号输出。测量频率时，调节频率计上的调谐机构，将腔体调至谐振，此时波导中的电磁场就有部分功率进入腔内，使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少，只要读出对应系统输出为最小值调谐机构上的读数，就得到所测量的微波频率。

6．驻波测量线它由一段沿纵想开有细长槽的直波导与一个可沿槽移动的带有微波晶体检波器的探针探头组成。探针经过槽插入传输线内，从中拾

取微波功率以测量微波电场强度的幅值沿线的分布，探针的位置可由测量线上所附标尺或测微计读取。

7．环行器这是另一类微波铁氧体器件，其特性是；当微波自端口1输入时，只会进端口2，不贵进入端口3；而微波由端口2输入时，只会带端口3不会到端口1：同样，微波自端口3输入时，只会到端口1不会到端口2，由此形成环路。环行器具有多种用途，是一种常用的微波器件。

二、实验内容

1．介电常数'ε和介电量损耗角正切'

tgε的测量

测量装置如图16-4所示，请按下列步骤操作。

（1） 将发射式谐振腔失谐（或不接发射腔，改变短路片）使速调管置

于锯齿波工作状态，改变发生极电压，在示波器上观察速调管的各个振荡模。

（2） 在样品未插入腔内时，是谐振腔处于谐振状态，（即速管中心工

作频率谐振腔的谐振频率），通过示波器观察器谐振腔的谐振曲线，用波长表测表量腔的谐振频率0f 和半功率频宽12||f f -，见图16-5。

利用波长标在示波器上形成的“缺口尖端”为标志点，测定示波器横轴的频标系数K （即单位长度所对应的频率范围，为兆赫/格表示）作法是：调节波长表，是吸收峰在示波器横向移动适当的距离L ，由波长表读出相应的频率差值f ，则频标系数/k f L =，一般可以做到K=0.4兆赫/格，谐振曲线的半功率频宽12||f f -可以由K 和半功率点的距离12||L L -决定。