CN101526569B - 一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用微波单极子天线测量物质介电常数的方法。利用单极子天线的发射特性，测量微波在待测物质中发射功率极大时的频率，从而得到该待测物质的介电常数。当单极子天线的天线部分长度与发射电磁波在待测物质中的波长成一定关系时，天线的发射功率达到最大。单极子天线方法即是利用这样的关系测定其介电常数。本发明能够更加简单、更加准确地测得物质的介电常数。

Description

一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法

技术领域

本发明涉及一种测量物质介电常数的方法，特别是一种利用单极子天线在介质中的发射特性来测定物质介电常数的方法。

背景技术

物质的介电常数作为物质一个基本的电磁学参数，一直需要被更精确更方便地测量。而单极子天线在介质中的发射性质与其介电常数有着密切的关系。单极子天线从构造上来说为对称振子的一半，天线从基部进行激励，它的辐射波瓣图与自由空间中的对称振子的波瓣图相同。当天线的长度与微波的波长成一定关系时，它的发射效率最大，也就是发射功率达到最大，反射功率达到最小。目前测量物质介电常数的方法有很多种，有反射，折射，投射和驻波法，比较法，替代法等，在这里将前三种暂时简称为光学法，后两种暂时简称为电路法，各种方法各有特点和适用范围，而微波单极子天线法测量介电常数在适用范围上相比于其它的方法要广，精确度相比于光学法要高。光学法中的反射法是利用平行极化波入射到两种物质分界面上发生无反射的条件来测定其相对介电常数，此法应用过程中需要测定入射角、反射角、入射波能量、以及反射波能量。因为需要测定的量过多且易引入误差，造成精度不够的问题。透射法是利用当入射角为零时，电磁波入射两介质分界面的边界条件，分别测量从空气到入射待测物质中和从待测物质入射到空气中反射系数和折射系数，由反射系数和折射系数与介电常数之间的关系从而得到测量介电常数的目的。但这种方法同样易受环境影响，造成测量误差，并且在理论计算上也比较麻烦。驻波法是利用相干原理和测驻波节点的方法，确定自由空间内的电磁波参量，将待测物质样品板放入测量光路，测得相位变化值，从而得到其介电常数。此种方法光路复杂，对实验过程中的操作要求精确，易引入误差。光学法测量只能针对固体物质进行测量。

电路法测量都是利用电路来测量待测样品的电容量，当已知样品的尺寸后，经过电容与样品介电常数的关系式 ${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}=\frac{\mathrm{Cd}}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}$ 可以得到待测物质的介电常数，此种方法也只能针对固体物质进行测量。

而本发明的微波单极子天线测量物质的介电常数的方法本身操作简单方便，易于掌握。并且不局限于物质的形态，不论物质是固体、液体或者是气体，都可以做到较为精确的测量，尤其是对液体和气体的测量优势更为明显。另外，测量时不要求待测物质的物理形状，甚至不需要特别选取样品测量。

发明内容

本发明所解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法，该方法能够更方便更准确地测得物质的介电常数。

本发明的技术方案之一是：一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法。利用单极子天线发射特性，测量微波在物质的功率发射极大时的频率来得到物质的介电常数。具体为：如图1所示，将单极子天线的天线部分浸入待测物质中，微波矢量网络分析仪发射微波并测量其反射系数，观察反射系数随频率的变化，可得单极子天线在待测物质中反射功率最小时的微波频率f_Mn，再测量出天线长度L，即可由公式 $\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{\mathrm{nc}}{4L{f}_{\mathrm{Mn}}}\right)}^2$ 得到待测物质的介电常数，其中c为微波在真空中的传播速度，ε为介质的介电常数，n＝1，3，5为奇数。

本发明的技术解决方案之二是：一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法。利用单极子天线发射特性，分别测量微波在已知介电常数的物质中和在待测物质的中的发射功率，由两种介质中的反射功率极小处的频率来得到物质的介电常数。具体为：将单极子天线置于一已知介电常数的物质中，微波矢量网络分析仪发射微波并测量其反射系数S₁₁，观察反射系数随频率的变化，得单极子天线在该物质中的反射功率最小时的微波频率f_0n；再将单极子天线置于待测物质中，微波矢量网络分析仪发射微波并测量其反射功率，观察反射系数随频率变化，得到单极子天线在待测介质中反射功率最小时的微波频率f_Mn。由公式

(n取值相同，n＝1，3，5....)，计算得到待测物质的介电常数。

在反射系数S₁₁随频率的变化图中，反射功率极小值处的微波频率即为发射功率极大值的微波频率。

本发明的原理：单极子天线浸入在待测物质中，当天线的长度L满足： $L=\frac{n}{4}\mathrm{\λ}(n=\mathrm{1,3,5}...)$ 时，天线的发射功率达到极大，其中λ为微波在介质中的传播波长。因为λ与介质的介电常数有直接的关系，为： $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f\sqrt{\mathrm{\ϵ}}},$ 其中c为微波在真空中的传播速度，ε为介质的介电常数，由此可得到单极子天线在介质中的发射功率最大时的微波频率为： $f_{\mathrm{Mn}}=\frac{\mathrm{nc}}{4L\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}(n=\mathrm{1,3,5}...);$ 所以，利用此原理，一种测量方式是：当确定单极子天线的长度L后，即可利用单极子天线在介质中反射系数的频谱图，读出发射功率的最大时(在反射系数频谱图中为最小值处)的频率f_Mn，即可得到待测物质的介电常数 $\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{\mathrm{nc}}{4L{f}_{\mathrm{Mn}}}\right)}^2.$

另一种测量方式是：当单极子天线处于一种已知介电常数的物质中时，可以利用测量得到其在该种物质中发射功率最大时(在反射系数频谱图中为最小值处)的微波频率为：

其中ε_已知为该物质已知的介电常数。同样的测量手段，得到待测物质中的中 $f_{\mathrm{Mn}}=\frac{\mathrm{nc}}{4L\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}(n=\mathrm{1,3,5}...),$ 两式相比可得待测物质的介电常数

所以分别在一已知介电常数的物质中和在待测物质中各测一次反射系数随频率的变化图，同样也得到待测物质的介电常数。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：它只需要单极子天线的天线部分浸入待测物质，所以不局限于待测物质的形态(即待测特质不论是固态、液态还是气体)，不局限于待测物质的物理形状(即不需要在光学法和电路法测量中需要取一个长方体的待测样品)。测量过程中，只需要测定两个量即可决定介电常数，引入误差小，并且受环境的影响可以忽略。所以本发明能够更简单更准确地测得物质的介电常数。

附图说明

图1为本发明技术方案之一中的单极子天线构造及测量原理示意图；

图2为本发明技术方案之一中的待测物质为在玻璃介质中，反射系数S₁₁随频率的变化图；

图3为本发明第二种技术方案在空气中，反射系数S₁₁随频率的变化图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例中的单极子天线是用一根50Ω的同轴线缆制作而成。将同轴线缆一端的外芯和绝缘层剥去，露出内芯，即为单极子天线。内芯的长度即为单极子天线的长度L。或者将同轴电缆的一端的内芯外接一根金属细线，细线长度为L。保证单极子天线部分的金属材料不与待测物质发生化学反应，且天线的长度远远大于天线的半径。同轴线缆的另一端与图1中的微波矢量网络分析仪相连接。

微波矢量网络分析仪用来发射微波信号和接收反射的微波信号，并计算出反射信号和入射信号之比，即所谓的反射系数S₁₁。

测量时，连接好装置后(如图1所示)，开始进行测量。

实施1：将单极子天线的天线部分浸入待测物质中，微波矢量网络分析仪扫频发射微波，并测量单极子天线在待测物质中(本实施取玻璃介质为例进行说明)的反射系数随频率的变化，如图2中曲线A所示，必要时可加上时间门，如图2中的曲线B所示。由图2可以得到功率发射极大值的频率f_Mn(n＝1，3，5...)，即图2中所示为S₁₁极小值处的频率，再测量出天线长度L，即可由公式 $\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{\mathrm{nc}}{4L{f}_{\mathrm{Mn}}}\right)}^2$ 得到待测物质的介电常数。在此实施中，因取L＝30mm，再由图2得到的f_M，可以计算得到玻璃的介电常数为ε＝2.465。

实施2：利用上述同样的原理，先将单极子天线放置于一已知介电常数的物质中(本实施取空气为例)，测量单极子天线空气中反射系数随频率的变化，如图3中的曲线A所示，必要时加上时间门，如图3中的曲线B所示。由图3得到在空气中反射系数S₁₁极小值时的微波频率f_0n(n＝1，3，5...)，然后再将单极子天线浸入待测物质中，同样的测量方法得到在该待测物质中反射系数极小处的微波频率f_Mn(n＝1，3，5...)(如图2所示)。由公式

(n取值相同，n＝1，3，5....)计算得到待测物质的介电常数。在此实施中，因为已知空气的介电常数为1，所以计算得到玻璃的介电常数为ε＝2.416。

查询介电常数表，可知玻璃的介电常数为1～11，实施1和实施2中测量得到的介电常数在此范围之类，并且，实验1和实验2这两种测量方式是自洽的，是可以互相验证的，两种测量方法得到的结果误差约为2％，所以本发明是一种相当准确的一种测量方法了。

Claims (3)

1.一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法，其特征在于：利用单极子天线发射特性，测量微波在物质的功率发射极大时的频率，从而得到物质的介电常数，具体为：将单极子天线的天线部分浸入待测物质中，测量微波在物质的功率发射极大时的频率f_Mn，再测量出天线长度L，即可由公式

得到待测物质的介电常数，其中c为微波在真空中的传播速度，ε为待测物质的介电常数，n＝1，3，5为奇数。

2.一种利用单极子天线测量物质介电常数的方法，其特征在于：利用单极子天线发射特性，测量微波在物质的功率发射极大时的频率来得到物质的介电常数，具体为：将单极子天线置于已知介电常数的物质中，分别测量单极子天线在该已知介电常数的物质中的发射功率最大时的微波频率f_0n和测量微波在物质的功率发射极大时的频率f_Mn，由公式

ε为待测物质的介电常数，ε_已知为该已知物质的介电常数，n＝1，3，5，……，计算得到待测物质的介电常数。

3.根据权利要求1或2所述的利用单极子天线测量物质介电常数的方法，其特征是：所述的确定发射功率最大时的微波频率f_Mn值的方法为：通过对待测物质在介质中反射系数随频率变化图上的任意一个极小值点来确定。

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