實驗六 用諧振腔微擾法測量介電常數(shù)

1、北京郵電大學電磁場與微波測量實驗報告學院：電子工程學院班級：組員： 報告撰寫人： 學號：實驗六 用諧振腔微擾法測量介電常數(shù)微波技術中廣泛使用各種微波材料，其中包括電介質和鐵氧體材料。微波介質材料的介電特性的測量，對于研究材料的微波特性和制作微波器件，獲得材料的結構信息以促進新材料的研制，以及促進現(xiàn)代尖端技術(吸收材料和微波遙感)等都有重要意義。一、 實驗目的1 了解諧振腔的基本知識。2 學習用諧振腔法測量介質特性的原理和方法二、 實驗原理本實驗是采用反射式矩形諧振腔來測量微波介質特性的。反射式諧振腔是把一段標準矩形波導管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板，構成諧振腔，具有儲能

2、、選頻等特性。諧振條件：諧振腔發(fā)生諧振時，腔長必須是半個波導波長的整數(shù)倍，此時，電磁波在腔內連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波。諧振腔的有載品質因數(shù)QL由下式確定： 式中：f0為腔的諧振頻率，f1，f2分別為半功率點頻率。諧振腔的Q值越高，諧振曲線越窄，因此Q值的高低除了表示諧振腔效率的高低之外，還表示頻率選擇性的好壞。如果在矩形諧振腔內插入一樣品棒，樣品在腔中電場作用下就會極化，并在極化的過程中產(chǎn)生能量損失，因此，諧振腔的諧振頻率和品質因數(shù)將會變化。 圖1 反射式諧振腔諧振曲線 圖2 微找法TE10n模式矩形腔示意圖電介質在交變電場下，其介電常數(shù)為復數(shù)，和介電損耗正切tan可由下列關系式表示：， ， 其中：

3、，和，分別表示的實部和虛部。選擇TE10n，(n為奇數(shù))的諧振腔，將樣品置于諧振腔內微波電場最強而磁場最弱處，即x2，z2處，且樣品棒的軸向與y軸平行，如圖2所示。假設：1樣品棒的橫向尺寸d(圓形的直徑或正方形的邊長)與棒長九相比小得多(一般dh110)，y方向的退磁場可以忽略。2介質棒樣品體積Vs遠小于諧振腔體積V0，則可以認為除樣品所在處的電磁場發(fā)生變化外，其余部分的電磁場保持不變，因此可以把樣品看成一個微擾，則樣品中的電場與外電場相等。這樣根據(jù)諧振腔的微擾理論可得下列關系式 式中：f0,fs分別為諧振腔放人樣品前后的諧振頻率， (1QL)為樣品放人前后諧振腔的有載品質因數(shù)的倒數(shù)的變化，即

4、 QL0，QLS分別為放人樣品前后的諧振腔有載品質因數(shù)。三、 實驗裝置1. 微波信號源需工作在最佳等幅、掃描狀態(tài)。2. 晶體檢波器接頭最好是滿足平方律檢波的，這時檢波電流表示相對功率(IP)。3. 檢波指示器用來測量反射式諧振腔的輸出功率，量程0100A。4. 微波的頻率用波長表測量刻度，通過查表確定微波信號的頻率。5. 用晶體檢波器測量微波信號時，為獲得最高的檢波效率，它都裝有一可調短路活塞，調節(jié)其位置，可使檢波管處于微波的波腹。改變微波頻率時，也應改變晶體檢波器短路活塞位置，使檢波管一直處于微波波腹的位置。圖17 試驗裝置示意圖1 微波信號源 2隔離器 3衰減器 4波長表 5測量線 6測量

5、線晶體7選頻放大器 8環(huán)形器 9反射式諧振腔 10隔離器 11晶體檢波器四、 實驗內容1 按圖接好各部件。注意：反射式諧振腔前必須加上帶耦合孔的耦合片，接入隔離器及環(huán)形器時要注意其方向。2 開啟微波信號源，選擇“等幅”方式，預熱30分鐘。3 測量諧振腔的長度，根據(jù)公式計算它的諧振頻率，一定要保證n為奇數(shù)。4 將檢波晶體的輸出接到電流表上，用電流表測量微波的大小，在計算的諧振頻率附近微調微波頻率，使諧振腔共振，用直讀頻率計測量共振頻率。5 測量空腔的有載品質因數(shù)，注意： f1， f2與f0的差別很小，約0003GHz。6 加載樣品，重新尋找其諧振頻率，測量其品質因數(shù)。7 測量介質棒及諧振腔的體積

6、。8 計算介質棒的介電常數(shù)和介電損耗角正切。五、 實驗數(shù)據(jù)（介質棒顏色為白色）由樣品諧振腔的長66mm，寬22.86mm，高10.16mm可得V0 =15329.000立方毫米由樣品半徑0.7mm，高10.16mm 可得Vs=15.632立方毫米由樣品諧振頻率以及半功率點頻率可以計算出樣品諧振腔的品質因數(shù)（f0 =9257.0MHz f1 =9250.0MHz f2 =9266.0MHz）= 587.6樣品插入后，由諧振頻率以及半功率點頻率可以計算出樣品放入后的品質因數(shù)（fs =9243.0MHz f1 =9236.0MHz f2 =9246.0MHz） =924.3聯(lián)立實驗原理中的各式可求得

7、介質棒的介電常數(shù)與介電損耗角正切。= 2.483+0.152j =0.0612六、思考題 1.如何判斷諧振腔是否諧振？ 答：諧振腔發(fā)生諧振時，腔長必須是半個波導波長的整數(shù)倍，此時電磁波在腔內連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波，可以用示波器觀察出諧振時的駐波。若有，則發(fā)生了諧振。 2.本實驗中，諧振腔諧振時，為什么“必須是奇數(shù)”？答：因為諧振腔發(fā)生諧振時，腔長必須是半個波導波長的整數(shù)倍，此時，電磁波才能在腔內連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波。n是半個波導波長的倍數(shù)，n是奇數(shù)時才滿足條件。 3.若用傳輸式諧振腔如何測量介質的介電常數(shù)，可否畫出實驗裝置。 答：實驗裝置： 七、實驗總結本次實驗操作并不容易,但是在之前小組的調試下,我們調試的很快,很快就在示波器上顯示了相應的波形,在實驗的過程中，我們了解了關于諧振腔的相關的知識，由于之前有過關于它的課程，讓我們實驗中上手很快，另外，我們也學習到了用諧振腔法測量介質特性的原理和方法，在有了相關理論的基礎上進行了實踐，讓我們受益匪淺。在實驗的過程中，我們組員相互配合，