微波介质特性的测量.doc

实验十六微波介质特性测量一、引言微波技术中广泛使用各种介质材料,其中包括电介质与铁氧体材料。对微波材料介质特性测量,有助于获得材料结构信息,研究材料微波特性与设计微波器件,。本实验采用谐振控微扰法测量介质材料特性参量,首先使用示波器观测速调管振荡模与反射式腔谐振曲线,了解谐振腔工作特性;进而学习用反射式腔测量微波材料介电常数’与介电损耗角正切tg原理方法。二、实验原理谐振腔是两端封闭金属导体空腔,具有储能、选频等特征,常见谐振腔有矩形与圆柱形两种,本实验采用反射式矩形谐振腔。谐振腔有载品质因数可由(16-1)测定,其中为谐振腔谐振频率,、分别为半工功率点频率。图16-1所示是使用平方律检波晶体管观测谐振曲线,与示意图。样品在腔中电场作用下就会被极化,并在极化过程中产生能量损失。因此,谐振腔谐振频率与品质因数将会变化。根据电磁场理论,电介质在交变电场作用下,存在转向极化,且在极化时存在驰豫,因此它介电量为复数:(16-2)式中为复介电常量,为真空,为介质材料复相对介电常量,、分别为复介电常量实部与虚部。由于存在着驰豫,电介质在交变电场作用下产生电位移滞后电场一个相位角,且有(16-3)因为电介质能量损耗与成正比,因此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电磁场发生变化外,其余部分电磁场保持不变,因此可用微扰法处理,选择(p为奇数)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,处,且样品棒轴向与y轴平行。如图16-2所示。假如介质棒是均匀,而谐振腔品质因数又较高,根据谐振腔微扰理论可得下列关系式(16-4)由此可求得:(16-5)其中、分别为谐振腔放入样品前后谐振频率,、分别为体积与样品体积,为样品放入前后谐振腔有载品质因数倒数变化,即(16-6)实验装置本实验装置见图16-4,下面介绍一些波导型微波元件结构与使用方法。如图16-3所示。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(有还要附加吸收片)置于一段直波导内恰当位置,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,起隔离与单向传输作用。衰减器这是一种电阻性器件,分为固定式与可变式两类,在实验中应用较多可变衰减器是通过在直波导内加装可移动衰减器片(通常是镀有电阻性材料玻璃片)而成,可变衰减分为平移式、插入式与旋转式等几种,通过改变衰减片在导波位置,面积大小或取向可以连续地改变衰减量大小,可变衰减器外部有反映衰减片位置刻度,通过厂家所附衰减曲线图或表格可查出相应衰减量,衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合作用。匹配负载通过做成波导段形式,内置吸收片,吸收片做成特殊劈形,以实现与波导间缓慢过度匹配,终端短路,进入匹配负载入射微波功率几乎全部被吸收,通常要求驻波比p<,相当于没有反射。晶体检波器它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。短路活塞与调配螺钉是为了保证检波器有较高灵敏度与较好匹配特征。频率(波长)计教学实验中用得较多是“吸收式”谐振频率计,谐振式频率计包含一个装有调谐柱塞圆拄形空腔,腔外有数字读出器,空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上,谐振式频率计腔体通过