CN1045862A

CN1045862A - 具有失谐调节机构的横电波模谐振腔

Info

Publication number: CN1045862A
Application number: CN 89101706
Authority: CN
Inventors: 倪尔瑚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 1989-03-23
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1990-10-03
Also published as: CN1013520B

Abstract

本发明公开了一种具有失谐调节机构的TE_01n模谐振腔。它包括金属圆筒(或螺旋管)[1]，耦合器[2]，调谐活塞[3]，或还包括损耗模波导[5]，其特征是在金属圆筒(或螺旋管)上设有失谐调节机构[6]。该机构是在金属圆筒(或螺旋管)腔体固定端面到二分之一波导波长之间径向引入极低损耗的细介质杆；或者在固定端面半径的方向上轴向引入极低损耗的细介质杆。采用本发明的主要优点是：使利用TE_01n模腔体的电介质测量系统大大简化，并能测出高损耗材料样品的介电常数。

Description

本发明属于电介质测量的微波谐振腔

带有调谐活塞的横电波模、高Q微波谐振腔是由金属圆筒（或螺旋管）、耦合器和调谐活塞组成。它已广泛地应用于电介质测量，即测量材料的相对复介电常数ε_r＝ε^′ _r（1-jtanδ），这已被公认为是最可靠和最精密的电介质测量方法之一，但却未商品化，其主要原因在于：

1.用调谐活塞的微小变化来测量半功率点带宽去求取有载Q因子，既使测微头精度到1μm，也达不到测量材料tanδ的要求，特别对于低损耗材料。

2.各种具有较高精确度的测量Q因子系统，需要繁多的、高精度的仪器，与此有关的技术也相当复杂。

3.目前最广泛应用的变频率法测量半功率点带宽来计算Q因子的方法，当Q因子降得较低时，尽管信号源有恒功率输出，但由于在两个半功率点之间的频率变化，使输入和输出耦合量发生变化，对测量半功率点带宽带来大的误差，且随腔体有载Q因子的降低而增大。

本发明是提供一种具有失谐调节机构的横电波模谐振腔，其目的是能方便测量极小的谐振频率变化和极狭的半功率点频带宽度，因而在不降低高Q测量精度下大大简化测试系统并能测出高损耗材料样品的介电常数。在电介质测量、微波信号源的稳频、测量Q因子、精密波长计等方面能得到广泛应用。

下面结合附图和实施例作详细说明。

图1是具有径向引入失谐调节机构的横电波模谐振腔示意图。图2是具有轴向引入失谐调节机构的TE_01n模谐振腔示意图。图3是具有径向引入失谐调节机构的、并耦合有损耗模波导的TE_01n模谐振腔示意图。图4是电介质测量装置方框图。图5是稳频测Q装置方框图。

本发明在原有的由金属圆筒（或螺旋管）〔1〕、耦合器〔2〕和调谐活塞〔3〕，或还具有损耗模波导〔5〕构成的TE_01n模谐振腔的金属圆筒（或螺旋管）上增设失谐调节机构〔6〕。该机构是在金属圆筒（或螺旋管）腔体固定端面到二分之一波导波长之间径向引入极低损耗的细介质杆，该介质杆用测微头推动，以二分之一腔体半径为中心前后移动（图1）;或者在固定端面半径的方向上，轴向引入低损耗的细介质杆，该介质杆用测微头推动，以四分之一波导波长为中心上下移动（图2）。

上述两种介质杆引入情况可视结构上的方便，任意选择使用。所不同的是：在图1的结构中，当工作频率改变时，失谐调节机构〔6〕的扩展比将有所变化;而在图2的结构中，当工作频率改变时，失谐调节机构〔6〕的中心点将有所变化。介质杆材料可用聚四氟乙烯、微泡沫或致密的石英玻璃、微泡沫低损耗高频陶瓷或其它极低损耗、低介电常数的材料。介质杆直径在2～4mm之间选择。

这个失谐调节机构〔6〕实际上起着调谐活塞〔3〕的微调作用。当应用于谐振曲线的半功率点测量时，起着扩展半功率点带宽的作用。用选择

〔a〕图1、2中介质杆引入的轴向和径向具体位置;

〔b〕介质杆的介电常数;

〔c〕介质杆的直径;

来达到所希望的扩展比。实验指出：扩展比k＝介质杆的变化距离（即失谐调节机构的变化距离）δM/调谐活塞的变化距离δL＝50～100较适合。

介质杆的引入，达到了如下的特性：

〔a〕在空腔半功率点带宽的5倍以内（介质杆约在5mm以内变化）扩展比k的线性误差小于3%;

〔b〕不明显降低空腔的有载Q因子;

〔c〕不产生其它波模。

图3是将所述的失谐调节机构〔6〕安装在耦合有损耗模波导〔5〕（其中可放入待测的高损耗样品〔4〕）的TE_01n模腔体上。它是另一种具有失谐调节机构的TE_01n模谐振腔。这时因待测样品引入而引起的腔体谐振频率的微小变化，可用失谐调节机构来精确测量。所以它除能测量Q因子外，还可以解决该腔体测量ε^′ _r时的不灵敏问题，使该测量高损耗材料复介电常数的方法实用化。当然，失谐调节机构也可以安装在该腔的上端，类似于图2所示。

图4是由微波信号源〔7〕、隔离器〔8〕、本发明所述的图1～3中任何一种腔体〔9〕和传感-指示器〔10〕构成的电介质测量装置。其中微波信号源〔7〕目前常用的是合成信号源，用高稳定度晶体振荡器锁定的微波信号源或用高Q腔锁定的微波信号源。传感-指示器〔10〕目前常用的是晶体检波器-放大器（包括交、直流放大器）或微瓦以下的功率探头-功率指示器等。

其测量方法是：分别测量不含样品和含样品〔4〕（厚度b）的腔体在同频率谐振时调谐活塞〔3〕位置的变化△L，及上述两种情况下有载Q因子Q_o和Q_d，按下面公式计算材料样品的ε^′ _r和tanδ：

(tanβd^b)/(βdb) = (tanβ_o(△L+b))/(β_O ^b) (1)

ε^′ _r＝（β² _d+K²）/（β² ₀+K²）; （2）

tanδ=B( 1/(Q_d) - 1/(Q＇_O) )（3）

式中 B＝｛P（2b-s）+（1/ε^′ _r）〔2（L_d-b）-q〕｝（4）

/〔P（2b-s）〕;

Q_d＝B〔P（2b-s）〕（β² _d+K²）/2k△M_dβ² ₀; （5）

Q^′ ₀＝Q₀Bε^′ _r〔P（2b-s）〕（K²+2aβ² ₀/L₀）/A; （6）

Q₀＝L₀（β² ₀+K²）/β² ₀k△M₀; （7）

A＝K²〔P（2b-s）+2（L_d-b）-q〕+2a（Pβ² _d+β² ₀）; （8）

P＝sin²〔β₀（△L+b）〕+（β₀/β₁）²cos²〔β₀（△L+b）〕;（9）

S＝sin2β_db/β_d; （10）

q＝sin〔2β₀（△L+b）〕/β₀; （11）

K＝2π/λ_c＝3.832/a; （12）

a是腔体半径;

β₀是腔中空气的相位系数;

k＝δM/δL是扩展比;

β_d是腔中介质的相位系数;

λ_c是TE_01n模腔的截止波长;

△M₀是腔中不含样品时失谐调节机构在半功率点的宽度;

△M_d是腔中含样品时失谐调节机构在半功率点的宽度。

其测量步骤如下：

一、将微波信号源稳定在所需的频率ν;

二、测量扩展比k：调节谐振腔的调谐活塞〔3〕使其谐振，再微微改变调谐活塞〔3〕，它造成的失谐用失谐调节机构〔6〕的变化来跟踪补偿，获取10个以上的数据，用线性回归处理求取其斜率，即为δM/δL＝k。可以在腔体加工好后在不同的频率ν下，预先作为k＝f（ν），以存使用;

三、在腔体调谐活塞上放入与它一样大的厚度为b的样品〔4〕，将失谐调节机构〔6〕放中心位置，调节调谐活塞〔3〕使腔体谐振，记下腔体长度L_d;

四、变化失谐调节机构〔6〕，使其在两侧的半功率点失谐，得到带宽△M_d（当△M_d超过使用范围时，可直接用谐振活塞失谐〔3〕，得到带宽为△L_d，并有△L_d＝△M_d/k）。并使它〔6〕回到中心位置（以下同，即每次测好后均如此。）

五、取出样品〔4〕，调节调谐活塞〔3〕，使其恢复谐振，记下腔体长度L₀;得△L＝L₀-L_d。

六、变化失谐机构〔6〕，获得在半功率点的带宽△M₀。

用这些测得的数据，按式（1）至（12）计算样品的ε^′ _r和tanδ。

当使用图3的腔体测量大损耗材料时，由于△L＝L₀-L_d≈0，所以应使损耗模波导中不含和含样品〔4〕时，调谐活塞〔3〕位置不变（即△L＝0），用变化失谐调节机构〔6）来恢复谐振，它在这两种情况下读数之差△M＝M₀-M_d，来求取△L，即△L＝△M/k。

例子：用漆包线、树脂、玻璃纤维、吸收剂，金属箔制成内径为φ50mm的螺旋管圆筒〔1〕，在其下端装带双丝杆的调谐活塞〔3〕，其最小刻度为0.002mm;上端装上带输入、输出耦合孔的耦合器〔2〕，离上端面12mm处的侧面装上失谐调节机构〔6〕，其介质杆用3mm的聚四氟乙烯棒，用0.001mm精度的测微器调节。构成如图1的腔体，在9.4GHz运行在TE₀₁₇模，测得扩展比k＝85，用电介质材料样品测得的数据是：

石英玻璃：ε^′ _r＝3.835，tanδ＝1.81×10^-4;

聚四氟乙烯：ε^′ _r＝2.045，tanδ＝2.22×10^-4。

在35GHz时用构成图2的结构，能得到同样满意的结果。

图5是由压控微波信号源〔11〕、隔离器〔12〕、定向耦合器〔13〕、本发明图1或2的腔体〔14〕、检波器〔15〕和稳频器〔16〕构成锁定又可微调频率的稳频微波信号源，和另一隔离器〔17〕、被测腔〔18〕和指示器〔19〕构成的稳频测Q装置，它获得频率的稳定度可达10^-6数量级。其突出的优点是简单、省线，节省了高位的微波数字频率计和稳定的微波信号源;并可以在约±1MHz范围内微调频率。因而可以方便地用来测量无调谐结构的各种波模高Q腔的有载Q因子，也可用于测定按微扰法测量电介质时引起的频率变化。

Claims

1、一种具有失谐调节机构的TE_01n模谐振腔，它包括金属圆筒(或螺旋管)[1]，耦合器[2]，调谐活塞[3]，或还包括损耗模波导[5]，其特征是在所说的金属圆筒(或螺旋管)[1]上设有失谐调节机构[6]。

2、根据权利要求1所述的一种具有失谐调节机构的TE_01n模谐振腔，其特征在于所说的失谐调节机构是在金属圆筒（或螺旋管）腔体固定端面到二分之一波导波长之间径向引入极低损耗的细介质杆，该介质杆用测微头推动，以二分之一腔体半径为中心前后移动;或者在固定端面半径的方向上，轴向引入低损耗的细介质杆，该介质杆用测微头推动，以四分之一波导波长为中心上下移动。