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基于动态扫频介电常数的测量研究探针或环耦合常用于谐振腔与同轴

鏃ユ湡;2019-07-09  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  基于动态扫频介电常数的测量研究探针或环耦合常用于谐振腔与同轴线之间的耦合由于结构很小 可以认为探针或环处的电场或磁场是均匀的 如图 所示。上左图所示探针在电场作用下就成为一个电偶极子 通过电偶极矩的作用 使谐振腔与同轴线相耦合 故探针耦合又称为电耦合。上右图所示耦合环在磁场作用下就成为磁偶极子 通过

  基于动态扫频介电常数的测量研究探针或环耦合常用于谐振腔与同轴线之间的耦合由于结构很小 可以认为探针或环处的电场或磁场是均匀的 如图 所示。上左图所示探针在电场作用下就成为一个电偶极子 通过电偶极矩的作用 使谐振腔与同轴线相耦合 故探针耦合又称为电耦合。上右图所示耦合环在磁场作用下就成为磁偶极子 通过其磁矩的作用 使谐振腔与同轴线耦合起来 故环耦合又称为磁耦合。 孔耦合孔耦合常用于谐振腔与波导之间的耦合 耦合孔 又称为窗孔 应设置在谐振腔与输入波导之间以使谐振腔中模式的场分量与输入波导的场分量方向一致。耦合孔位置的选择 应使耦合孔所在处所需模式的电力线或磁力线 或者两者兼而有之 与波导中传输波型在该处的同类力线相一致。采用孔耦合时 耦合的强弱和耦合孔的大小、形状及孔的位置有关 而孔的形状通常有小圆孔、椭圆孔等。小孔耦合常用于传输线与传输线之间 传输线与谐振腔之间以及谐振腔与谐振腔之间的耦合。微波谐振腔与外电路耦合以后 谐振腔的特性将与孤立状态有所不同 外电路要通过耦合机构对谐振腔的特性产生影响。其影响有 要在谐振腔中引入一个电抗 使谐振腔失谐 即使谐振频率改变 在谐振腔中引入一个电阻 使谐振腔的能量损耗增大 从而使其 值降低。 测试系统 系统设计在微波频段测量介质材料的特性参数又可分为两大类 即网络参数法和谐振腔法。网络参数法可在宽频带内进行测量 谐振腔法只能在点频上进行测量。由于网络分析仪昂贵不易推广应用 通常采用谐振腔法。谐振腔的设计通常是给定谐振频率 再设计谐振腔几何参数的点频测量方法。本实验采用动态扫频一腔多模技术扩展频带 任选矩形波导和设计耦合片 构建谐振腔和动态扫频测量系统 测量碣。。谐振模式的谐振频率厂和 来计算样品的介电常数。同时我们知道在现代测量技术中 长度测量的精确度和分辨率均比频率的测量为低。我们采用固定腔体的几何尺寸 用测量谐振频率的方法精确求得腔体长度。被测样品加工成细正方形柱状置入腔内 在测得谐振腔加载前后的谐振频第四章测试系统设计 率和固有品质因数后 可得介质材料的 罗。这样我们的测量过程全部变为频率的测量 提高了测试精度。本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量介质的介电常数 微波系统采用三公分波导 波导管型号为 其内腔尺寸为口其主模频率范围为 截止频率为。用此型号的波导制作了反射式矩形谐振腔 尺寸为 。测量时在矩形波导顶部正中开一个小孔以便样品放入腔中 该处电场最强 而磁场为零。对矩形谐振腔的孔耦合输出而言 设定耦合孔位于 的地方 耦合孔的直径为 。设计的测试系统如下图所示。它包括扫频信号源、隔离器、波长计、可变衰减器、环形器、晶体检波二极管、示波器及矩形谐振腔 下面将各部分的作用予以简要说明。示波器图 谐振腔微扰法测量介电常数的测试系统腔 扫频信号源 信号源为 合成扫频源 频率为 频率准确度优于频率可分辨至勉位 扫频带宽可调到足够窄 且有较高的频率稳定度和幅度稳定度。 隔离器 当微波信号源接于有反射波的系统上 若此反射波进入信号源 其输出信号的频率将发生变化 即所谓频率牵引 这当然是不希望的 为此 在信号源输出端接一个仅对反射波衰减而对入射波不衰减的单向隔离器。在矩形波导系统中 最常使用的是场移式隔离器 本论文的测试系统就采用场移式隔离器。 波长计 由于微波元器件的性能与频率密切相关 所以测试系统中总是接有测量频率的装置 用来测量表明所测参数之相应频率 波长计即属此种装置。波长计有一圆柱形腔与波导壁以小孔耦合 通过移动活塞改变腔的长度而改变腔的体积 从而改变腔的固有频率。当腔的固有频率与信号频率相同时即产生谐振现象。根据表征谐振活塞位置的千分尺上的刻度 可在与该波长计对应的校准曲线上查得频率 。注意 波长计的 值一定要高于被测谐振腔的 值。基于动态扫频介电常数的测量研究 可变衰减器 测试过程中要求改变功率的大小 这时不能直接去调信号源的输出功率 否则会导致频率牵引 为此接入可变衰减器来调整功率的大小。 环形器 它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。主要结构为波导 形接头 在接头中心放一铁氧体圆柱 或三角形铁氧体块 在接头外面有“【 形永磁铁 它提供恒定磁场凰。当能量从 端口输入时 只能从 输出端口隔离 同样 当能量从 端口输入时只能从 端口输出 端口无输出 以此类推即得能量传输方向为 的单向环行。晶体检波器 晶体检波器接头最好是满足平方律检波的 这时检波电流表示相对功率。从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压 经微波二极管进行检波 调节其短路活塞位置 可使检波管处于微波的波腹点 以获得最高的检波效率。 示波器 是实际中常用的仪器 不同型号的仪器使用方法略有不同 在这就不赘述了。如果在矩形谐振腔样品孔内插入杆状的介质样品 样品的轴向与 轴平行 其在腔中电场作用下就会极化 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。选择碣。口 为奇数 的谐振腔 假设 杆状样品的横向尺寸 正方形的边长 与样品长 相比小得多 一般 方向的退磁场可以忽略。介质样品体积 远小于谐振腔体积 则可以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 因此可以把样品看成一个微扰 则样品中的电场与外电场相等。根据前述的谐振腔微扰理论公式 。第四章测试系统设计谐振腔必须工作在单模状态下 我们用 的强大数学运算功能 做出了试验谐振腔的谐振模式图 一一 矩形谐振腔口模式图如上图所示 固定了谐振腔的长度 为了保证谐振腔工作在单模状态 只能选择碣 和瓯嘶这六个模式由于系统测量的是介质样品的介电常数 所以只能选择奇模 就选择 这前五个模式 扫频信号源的频率设置范围为 可以计算出前五个模式的谐振频率和谐振波长的理论值其中 为真空中的光速。 理论实测 基于动态扫频介电常数的测量研究由前文介绍所得空腔的体积为样品的体积为 首先 为了测试系统的准确性 选用一种已知介电常数的样品进行测量确认。据国内外文献公布的测试数据表明 聚四氟乙烯具有宽频带特性 频带上其复介电常数基本不变 因此聚四氟乙烯材料适合做宽频带的测试样品。表 聚四氟乙烯样品测试数据表 上表中聚四氟乙烯材料的介电常数值与文献测试的聚四氟乙烯的介电常数值实部 波段以及文献 测试的复介电常数值 比较说明此测试装置和测试方法是正确可靠的。上表中样品的介电常数随频率的变化规律和样品损耗角随频率的变化规律的测试结果是符合一般材料特性的 结果是令人满意的。除此以外 系统的重复性在样品参数的测试中也相当重要 上表是对三个规格相同聚四氟乙烯样品测量的平均值 结果对测试系统的重复性进行了验证。 测试注意事项试验环境要求 温度 范围内相对湿度 测量时记录当时的数值 测试用工作台应放置平稳 不应有抖动。测试过程 首先 打开空调 让室温恒定。将测试腔体与信号源、示波器以及检波器连接起来 注意反射式谐振腔前必须加上带耦合孔的耦合片 接入隔离器及环形器第四章测试系统设计 时要注意其方向 开启微波信号源 让测试系统预热 分钟左右 使测试结果稳定 将反射式谐振腔失谐 或不接反射腔 改变短路片 使信号源置于方波工作状态 改变反射极的电压 在示波器上观察信号源的各个振荡模 在样品未插入腔内时 通过示波器观察谐振腔的奇模谐振曲线 用波长计测量腔的谐振频率石和半功率频宽 利用波长计在示波器上形成的“缺口尖端”为标志点测定半功率频宽 由于频标系数 即单位长度所对应的频率范围以兆赫 格表示 不均匀 所以直接读出吸收波峰半频宽对应的波长计示数差 查表得频差。 在样品插入后 再用上述方法测量谐振频率 和半功率频宽 利用原理公式计算。全部测试完毕后取出测试样品 然后关闭仪器。第五章结果第五章结果 样本选择近年来 随着电磁环境的日益复杂 微波辐射的生物效应逐渐成为人们关注的课题。这其中生物介质介电常数的确定对研究微波与生物体的相互作用有着基础性的作用。例如在微波工业应用如食品加工、烘干中 需要知道材料的介质特性 在微波诊断中 可以以组织和器官的介质特性变化作 为依据 在微波热疗应用时 需要知道正常组织与病变组织介质特性的差别。生物组织具有介电常数高 形状不规则 含水量高的特点。微扰法具有所需样品少的优点 对于样品量有限的生物材料而言非常适合 。本论文应用自行设计的谐振腔微扰测试系统对树枝的介电常数进行了测量。对样品先去掉表皮再进行适当的加工 由于样品的尺寸 故加工后的样品形状的微量不同也不会给测量带来较大的误差。然后在上面提到的环境下 对样品进行测量。制作样品要避开髓心、节子、腐朽、虫眼等缺陷 沿树枝的径向打磨成边长为 长约为 的截面为正方形的柱体 样品的表面要求光洁 上下均匀。试样制作后置于相同温度和相同湿度的环境里 保证其尺寸稳定 以备使用。 结论表 谐振腔微扰法测得的树枝介电常数 测试样品 桃树幼枝 榆树 西康扁桃 红叶青幼枝基于动态扫频介电常数的测量研究龙爪槐 榆叶梅杨树 国槐幼枝 国槐老枝铁梗海棠 梨树幼枝 花椒树新枝花椒树老枝 樱桃 红柳新枝红柳老枝 杏树幼枝杏树老枝 本文所测量样品均采制自西安市郊区农家梨园、苹果园、和西安市植物园。每个样品分三组进行测量结果较稳定 每一组的测量幅度摆动均不超过 最后取其平均值 其结果烈于上表孛。由所测结果可知 不同种类树木的介电常数不同 统一种类 但不同品种的树木 其介电常数也不同 对于同一种树木的新枝和老枝 其介电常数也有差异。第五章结果 各种树木的相对介电常数主要分布在 左右 其差异不很大。仅樱桃的相对介电常数较高 约为 而垂柳较低 仅为 。一般说来 生长较慢 耐旱的树木 其介电常数高 而生长较快 耐旱性能差的树木 其介电常数较低。树木的介电性质研究是连接树木结构与性能两者之间的桥梁 在理论和实际上均具有重要意义。理论上能够探讨树木介电性质与树木构造、含水率、纹理、密度、温度及电场频率间的相互关系 有助于研究树木的超微结构和各向异性。国外对树木介电性能的研究涉及的范围广泛。由于树木构造复杂 其介电性能 特别是影响介电常数的各种因子的机理 量国内外关于树木介电常数的文献 下的几个方面也与树木的介电常数有关 至今尚未了解清楚。本文作者在查阅大除由本文测量结果所得出的结论外 介电常数‘同含水率矿的关系 不同树种的介电常数 ’均随含水率 的升高而增大。形在纤维饱和点 左右 以下 变化的曲线呈上凹形状在纤维饱和点以上 曲线近似直线。矽在 范围内’随形的升高而迅速的增大。 介电常数 ‘同木材纹理方向的关系 不同的纹理方向其介电常数占‘均不同。树种的轴向介电常数均大于其弦向和径向的介电常数 在绝干状态下 三个方向上的介电常数都很近。 各树种木材在不同含水率的条件下 三个纹理方向的介电常数 随频率厂变化如下 在测试频率的范围内 总趋势是 厂的增大而减小。绝干树木的 ‘随厂增大而减小缓慢 低含水率 ‘随厂的变化规律与绝干材类似曲线较平缓。 当含水率接近纤维饱和点及以上时 ’随厂的增大而减小 但曲线变化较大。在 范围内‘随厂增大而迅速减小 减小幅度较大 在高于 减小的幅度较小‘值趋于不变的趋势。 在纤维饱和点和低含水率之间的曲线属于过渡状态。 所有的曲线通过幂函数回归拟合 相关系数大多在 以上。 误差分析在低损耗材料介电常数的测量过程中 误差产生的原因主要有以下几个方面需要考虑 样品误差微扰法适用于小体积样品的测量 要求满足屹 的条件 通常样品与腔体体积之比要小于 而且对确定样品体积的精确性要求也相当高 因为样品基于动态扫频介电常数的测量研究体积很小 样品体积测量的微小误差都会引起介电常数测量值的巨大误差 对测量结果起着至关重要的影响。 仪器误差测量中用到的仪器设备 如信号源、示波器等 它们本身都含有误差。同时 矩形波导顶部正中开了一个小孔 以便样品放入腔中。由于开孔 会造成电场分布改变 并有少量能量外泄 这样会引入误差。对于平行于电场方向放置的杆状样品 微扰法要求样品在切向长度上与腔体高度齐平 否则也会引入误差。 环境误差本实验中进行测量时外界条件及测量人员引起的振动对测试结果影响很大。 方法误差由于测量方法不完善所引起的误差 比如采用近似的测量方法、四舍五入而造成的误差 如近似数值的取值不同 都会引起误差。 人员误差本测量中 需要测量样品的尺寸 由于测量者受分辨能力的限制 或是因工作疲劳引起的视觉器官的生理变化 固有习惯引起的读数误差等 都会引起误差。 测量误差测量不确定度的主要来源有 耦合孔的直径、最大耦合深度、腔体内壁尺寸的不均匀 千分尺校准的不确定度 千分尺读数的分散性结束语 结束语随着科学技术的发展 各个相关的高科技领域对微波材料的应用越来越多 同时对微波材料性能的要求也随之不断提高。在这样的情况下 越来越多的科技工作者参与到了微波材料的研究中来。对于微波材料来说 其电磁性能参数是最为重要的参数之一 只有能够精确测量微波材料的电磁性能参数 才能更好的对其进行深入的研究。因此 微波材料电磁性能参数测量的研究 对于微波材料的研究具有非常重要的意义。同时微波与植物特性之间关系的研究也日益受到人们的关注 而本论文主要讨论的正是这一问题。虽然国内、外对于微波材料电磁性能参数的测量 及其与生物特性关系的研究已经持续了很长时间 但是仍然有许多问题尚未解决 其中就包括材料的宽频带测试 本论文所做的研究正是基于这个问题。本论文采用的是微波谐振腔动态扫频微扰法进行测量 自行设计矩形谐振腔 组建试验系统 对样品进行测量 结果表明该实验系统具有良好的稳定性 从而证明了利用矩形谐振腔微扰法测量介质材料的介电常数是一种可靠的测试方法 具有很好的应用前景。如果要对此试验做进一步的工作 可以尝试用不同尺寸的谐振腔和样品来完成实验 以获得更高的测试频带和测量精度。还应当掌握相关的计算机辅助工具 能使测量和计算一次性完成 提高测量的效率。由于研究生期间时间有限 作者对于微波材料测量的研究也只能说是刚刚入门 做了一些初步的工作 还有许多问题有待深入的讨论。希望本文所做工作能够为今后参与此项研究工作的科技工作者们提供一定的参考和借鉴 从而为此项研究做出一定的贡献。致谢致谢硕士论文终于完成了 也预示着难忘的研究生生活的结束。能够顺利走完这段人生中非常重要的时光 与在我身边关心、爱护、帮助过我的老师、同学以及家人是分不开的。在论文结束的时候 一定要向给予我关怀和帮助的人们致谢 以表示我的感激之情。首先要感谢我的导师 卢智远教授。他学识渊博 治学态度严谨 有着精益求精的敬业精神 这些品质一直都在影响、激励着我 并将使我受益终身。在学习和工作中 他要求严格 从而使我的基础更加扎实 对专业知识有了更深的理解和更好的掌握 同时具有了一定的实践技能。在卢老师的悉心教育和培养下 不论是在科研工作还是在生活上 我都有了很大的提高 并在他的教导和帮助下 我学到了很多书本上没有而实际中很有用的东西 开拓了眼界 同时增长了能力。文中所述的研究成果 是在卢老师的教导、启发下得以完成的 在这里 向卢老师致以深深的谢意和感激 感谢我的同学陈国强以及我的室友严晓丹对我的热心帮助 研究生期间的工作和生活是和他们一起度过的。在这些日子里 他们不仅使我在学习和工作中学到了很多东西 更使我的研究生生活充满了乐趣和难忘的回忆。他们是我工作、学习上的榜样 生活中的好朋友 在这里 祝他们在未来的日子里生活愉快 事业有成。最后要感谢的是我的家人 没有他们的支持 我是不可能完成硕士期间的学习和生活的。在未来的工作、生活中 我要通过实际的行动来回报他们对我的爱护和培养。在这里 向他们表示我最真诚的敬爱和感恩 最后 再次感谢认识我、关心我、帮助我的人们。参考文献 参考文献【 微波测量技术北京 国防工业出版社 电磁场在生物医学中的应北京 国防工业出版社 北京宇航计测技术 武汉武汉大学出版社 北京科学出版社 北京科学出版社 电介质的极化机制与介电常量分析阴大学物理 大学物理实验第二册 南京南京大学出版社 北京科学出版社 电动力学第二版 北京科学出版社 北京科学出版社 微波、毫米波传感器与非电量检测北京 电子工业出版社 波导型谐振腔模式的简化推导安徽师范大学学报 自然科学版 广东嘉应大学学报 自然科学版 微波技术北京 国防工业出版社 电磁场与电磁波北京 机械工业出版社 金永兴邬良能等理想导体金属谐振腔电磁场微扰理论研究【 吴万春梁昌洪馓波网络及其应用 北京 国防工业出版社

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