1GHz～8GHz同轴线-介质圆波导谐振腔及介电参数测试方法

摘要

本发明公开了一种用于1GHz～8GHz电介质测量的同轴线-介质圆波导谐振腔及测试方法。由外导体、内导体和轴向可移动探针构成空气同轴测量线的一端设有行程为100mm的可调节短路器,可调节短路器上设有输入耦合环；同轴测量线另一端内导体与金属短路板的间隔处设有圆柱介质样品,它与同轴线外导体构成介质圆波导。利用同轴线中的TEM波和样品中的TM01波组合谐振,求取材料的复介电常数。本发明克服了在同轴线中制备和插入紧密配合的圆环状样品的困难,而且实现了样品中电磁场分布与样品尺寸及工作频率无关,以及样品径向尺寸与金属壁的配合误差不再是引起测量不确定性的主要因素。可以测量相对介电常数1～100(或更高)的介质材料。

主权项

1.一种1GHz～8GHz的同轴线-介质圆波导谐振腔的介电参数测试方法，其特征是:采用1GHz～8GHz频段用于电介质测量的同轴线-介质圆波导谐振腔的测量装置，利用最低次波模谐振,使同轴线中仅有TEM导行波和TM₀₁消逝波,介质中只存在TM₀₁消逝波或导行波；用测量第一个波节到圆柱介质样品表面的距离和电压驻波比,求材料在TM₀₁模下的ε_r和tanδ，方法的具体步骤如下：(1)测量谐振下的第一个波节到圆柱介质样品表面的距离l₀：在给定频率ν_r下，放入圆柱介质样品(6),可调节短路器(4)达到腔体谐振,记下同轴线-介质圆波导状态时可调节短路器(4)的读数L_i，用金属短路板(7)取代圆柱介质样品(6),再次调节可调节短路器(4),使在相同频率下重新谐振，记下同轴线-短路板状态时可调节短路器(4)读数L₀，得出第一个波节到圆柱介质样品表面的距离为：l₀=c/(2ν_r)-(L₀-L_i)      （1）这里,c是空气中的光速，(2)测量谐振下的电压驻波比s:用接到输出探针的传感器-微波功率计，移动空气同轴测量线上的可移动探针(3),测定同轴线-介质圆波导状态时在上述谐振频率ν_r下驻波峰值和谷值的功率计读数P_imax和P_imin，有s_i＝(P_imin/P_imax)^1/2      （2）用金属短路板(7)取代圆柱介质样品(6),调节可调节短路器(4),使在相同频率下重新谐振，再次移动空气同轴测量线上的可移动探针(3),测定同轴线-短路板状态下的驻波峰值和谷值的功率计读数P_0max和P_0min，有s₀＝(P_0min/P_0max)^1/2      （3）得由圆柱介质样品引起的电压驻波比为：s＝s_i-s₀·2ν_rl₀/c      （4）(3)计算材料的复介电常数用测得的谐振-驻波参数l₀和s，按式$j\frac{2k_{0}a{\widehat{ϵ}}_r}{\ln (a/b)}(y_0-y_q{x}_q)=\frac{1-\mathrm{js}·\tan (2\pi v_r{l}_0/c)}{s-j\tan (2\pi v_r{l}_0/c)}---\left(18\right)$编写的复数迭代程序,求解复介电常数式(18)中:$y_0=\frac{\coth \left({\gamma }_{i}d\right)}{{\gamma }_i{\lambda }_i^2{a}^3}·\frac{J_0^2\left({\lambda }_{i}b\right)}{J_1^2\left({\lambda }_{i}a\right)}---\left(6\right)$$y_q=-\frac{\coth \left({\gamma }_{i}d\right)}{{\gamma }_i{a}^3({\lambda }_i^2-{\xi }_q^2)}·\frac{J_0^2\left({\lambda }_{i}b\right)}{J_1^2\left({\lambda }_{i}a\right)}---\left(7\right)$x_q＝y_q/A_qn      （8）$A_{\mathrm{qn}}=\frac{{\lambda }_i^2\coth \left({\gamma }_{i}d\right)}{{\gamma }_i{a}^3{({\lambda }_i^2-{\gamma }_q^2)}^2}·\frac{J_0^2\left({\lambda }_{i}b\right)}{J_1^2\left({\lambda }_{i}a\right)}+\frac{1}{{\widehat{ϵ}}_r}·\frac{1}{4a{\gamma }_q}[\frac{a^2{Z}_1^2\left({\xi }_{q}a\right)}{b^2{Z}_1^2\left({\xi }_{q}b\right)}-1]---\left(9\right)$以及，贝塞尔函数的线性组合Z₁(ξ_qa)＝J₁(ξ_qa)+J₀(ξ_qa)N₁(ξ_qa)/N₀(ξ_qa)   （10）Z₁(ξ_qb)＝J₁(ξ_qb)-J₀(ξ_qb)N₁(ξ_qb)/N₀(ξ_qb)   （11）上述各式中：2a是同轴线外导体内径,2b是同轴线内导体外径，d是圆柱介质样品厚度，J₀、J₁和N₀、N₁分别是第一类和第二类另阶、一阶贝塞尔函数，ξ_q是按式J₀(ξ_qa)N₀(ξ_qb)-J₀(ξ_qb)N₀(ξ_qa)＝0   （12）编写的迭代程序得到的第一个解，并有${\gamma }_q=\sqrt{{\xi }_q^2-k_0^2}---\left(13\right)$λ_i＝2.4048/a      （14）${\gamma }_i=\sqrt{{\lambda }_i^2-k^2}---\left(15\right)$$k_0=\omega /c,k^2=k_0^2{\widehat{ϵ}}_r,\omega =2\pi v_r---\left(16\right)$式中:γ_q是同轴线对TM₀₁波的传播常数,是实数,传播消逝波；γ_i是介质圆波导对TM₀₁波的复传播常数；ω是谐振圆频率；k₀是空气中的波数；k是介质中的波数；式(14)是第一类另阶贝塞尔函数J₀(λ_ia)＝0的第一个解；所述的用于1GHz～8GHz频段电介质测量的同轴线-介质圆波导谐振腔的测量装置包括同轴线外导体(1)、同轴线内导体(2)、可移动探针(3)、可调节短路器(4)、输入耦合环(5)、圆柱介质样品(6)、金属短路板(7)、微波输入信号(8)和输出驻波信号(9)；同轴线外导体(1)和同轴线内导体(2)为同轴结构，同轴线外导体(1)上设有轴向缝隙，在轴向缝隙上设有可移动探针(3)构成空气同轴测量线；空气同轴测量线的一端设有行程为100mm的可调节短路器(4),可调节短路器(4)上设有输入耦合环(5)；空气同轴测量线另一端端部设有金属短路板(7)，同轴线内导体(2)与金属短路板(7)之间设有间隔,在间隔内充满圆柱介质样品(6),圆柱介质样品(6)、金属短路板(7)与同轴线外导体(1)构成介质圆波导；输入耦合环(5)与微波输入信号(8)相接，从可移动探针(3)探测到谐振时的输出驻波信号(9)振幅,得到电压驻波比,与输出驻波信号(9)相位有关的长度由可调节短路器(4)的刻度读出。