CN106099301A - 一种同轴谐振腔及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种同轴谐振腔及其应用。本发明的同轴谐振腔，其包括耦合机构和腔体，所述耦合机构用于腔体内微波的激励或耦合；所述同轴谐振腔还包括伸出腔体的探针，所述探针与所述腔体同轴设置；所述腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3‑5)：1。在不需要减小同轴谐振腔尺寸的基础上，通过控制所述腔体的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3‑5)：1，可有效提高谐振频率。本发明还提供采用该同轴谐振腔的材料介电常数测试系统、微波探伤装置、滤波器及微波杀菌装置。

Description

一种同轴谐振腔及其应用

【技术领域】

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种同轴谐振腔及其应用。

【背景技术】

微波是指频率处在300MHz至300GHz的范围，相应波长的范围从1m至1mm的电磁波。微波具有良好的穿透能力、较好的方向性且环境污染小，因此微波技术得到迅速发展。在微波技术所使用的微波元件中，同轴谐振腔是将一段同轴线两端用短路面或开路面封闭所构成的，由于其具有工作频带宽、振荡模式简单及场结构稳定等优点，因此得到广泛的应用，比如可用于介电常数的测量装置、滤波器等。

同轴谐振腔的谐振频率和品质因数是同轴谐振腔的重要参数，并影响其应用。例如，介电常数的测量是利用待测样品置入同轴谐振腔前后工作模式谐振频率的变化及无载品质因数的变化来计算待测样品的介电常数。而采用同轴谐振腔的滤波器的滤波性能更是与谐振频率和品质因数紧密相关，滤波器的中心频率为同轴谐振腔的谐振频率，其带宽由品质因数决定。目前，为获得高谐振频率的同轴谐振腔，通常采用减小同轴谐振腔体积的方式，然而这种方式对同轴谐振腔的谐振频率的提高幅度有限，无法满足需求。

【发明内容】

为克服现有同轴谐振腔谐振频率较低的技术问题，本发明提供了一种具有高谐振频率的同轴谐振腔及其应用。

本发明解决技术问题的方案是提供一种同轴谐振腔，包括耦合机构和腔体，所述耦合机构用于腔体内微波的激励或耦合；所述同轴谐振腔还包括伸出腔体的探针，所述探针与所述腔体同轴设置；所述腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。

优选地，所述腔体的高度可调，所述腔体的圆环柱体高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和。

优选地，所述同轴谐振腔包括同轴套设的内导体和外导体，所述内导体的外壁和外导体的内壁之间形成腔体；所述内导体呈一端面带有尖端的圆柱体，该尖端形成探针。

优选地，所述腔体内靠近所述探针的一端设置介质层，介质层的形状与腔体相匹配，所述介质层由无机材料制得。

优选地，所述介质层由白宝石制得，介质层的高度与腔体的圆环柱体内圆半径的之比为(1.5-2.5):1。

优选地，所述耦合机构包括至少一耦合环，所述耦合环的半径与腔体的圆环柱体内圆半径之比为(0.5-1):1。

本发明还提供一种材料介电常数测试系统，其包括上述的同轴谐振腔。

本发明还提供一种微波探伤装置，其包括上述的同轴谐振腔。

本发明还提供一种滤波器，其包括上述的同轴谐振腔。

本发明还提供一种微波杀菌装置，其包括上述的同轴谐振腔。

与现有技术相比，本发明提供的一种同轴谐振腔，包括耦合机构和腔体，还包括伸出腔体的探针，所述探针与所述腔体同轴设置。通过耦合机构的激励作用，腔体内形成电磁场。通过设置所述探针，能在探针的针尖处形成一个场强非常集中的电磁场。所述腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。当圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1时，所述同轴谐振腔的高阶谐波，如三阶谐波和五阶谐波的附近杂波少，且高阶谐波具有较高的品质因数。而高阶谐波的谐振频率明显高于基波，如三阶谐波和五阶谐波的谐振频率约为基波的谐振频率的三倍和五倍，因此在不需要减小同轴谐振腔尺寸的基础上，通过控制所述腔体的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，可有效提高谐振频率。

本发明还提供一种材料介电常数测试系统，其采用了如上所述的同轴谐振腔，具有测试速度快、测试效率高的优点。

本发明还提供一种微波探伤装置，其采用了如上所述的同轴谐振腔，具有测试速度快，准确性好的优点。

本发明还提供一种滤波器，其采用了如上所述的同轴谐振腔具有频率范围宽的优点。

本发明还提供一种微波杀菌装置，其采用了如上所述的同轴谐振腔，具有杀菌效果好的优点。

【附图说明】

图1是本发明同轴谐振腔的结构示意图。

图2是图1中A-A的剖视示意图。

图3是图2中B部的放大示意图。

图4是本发明一些优选实施例中同轴谐振腔的结构示意图。

图5是本发明同轴谐振腔不同外导体半径与内导体半径的比值对同轴谐振腔谐波的影响示意图。

图6是本发明同轴谐振腔基波、3阶谐波及5阶谐波的谐振频率随外导体半径与内导体半径的比值增加的变化示意图。

图7是本发明同轴谐振腔基波、3阶谐波及5阶谐波的品质因数随外导体半径与内导体半径的比值增加的变化示意图。

图8是本发明同轴谐振腔不同内导体半径对同轴谐振腔谐波的影响示意图。

图9是本发明同轴谐振腔不同腔长对同轴谐振腔谐波的影响示意图。

图10是本发明同轴谐振腔不同介质层高度对同轴谐振腔谐波的影响示意图。

图11是本发明同轴谐振腔基波的谐振频率随介质层高度增加的变化示意图。

图12是本发明同轴谐振腔基波的品质因数随介质层高度增加的变化示意图。

图13是本发明同轴谐振腔不同耦合环半径对同轴谐振腔谐波的影响示意图。

图14是本发明同轴谐振腔等效电路的示意图。

图15是实施例二中材料介电常数测试系统的结构示意图。

图16是实施例二中材料介电常数测试系统的控制原理示意图。

图17是实施例二中材料介电常数测试系统的样品的结构示意图。

图18是实施例二中材料介电常数测试系统建立数据库的流程示意图。

图19是实施例二中材料介电常数测试系统测试方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明第一实施例提供一种同轴谐振腔10

结合图1、图2所示，所述同轴谐振腔10，包括耦合机构14和腔体19。所述耦合机构14用于腔体19内微波的激励及耦合，即向腔体19内输入微波形成腔体19的激荡，以及对腔体19内微波信号进出耦合并输出。所述同轴谐振腔10还包括伸出腔体19的探针113，所述探针113与所述腔体19同轴设置。通过耦合机构14的激励作用，腔体19内形成电磁场，通过设置所述探针113，能在探针113的针尖处形成一个场强非常集中的电磁场，该电磁场的电场线115即如图3中所示分布。

所述腔体19呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。当圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1时，所述同轴谐振腔10的高阶谐波，如三阶谐波和五阶谐波的附近杂波少，且高阶谐波具有较高的品质因数。而高阶谐波的谐振频率明显高于基波，如三阶谐波和五阶谐波的谐振频率约为基波的谐振频率的三倍和五倍，因此在不需要减小同轴谐振腔尺寸的基础上，通过控制所述腔体19的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，可有效提高谐振频率。其中，最优的是所述腔体19圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为4：1，在保证高品质因数的前提下，得到高谐振频率的同轴谐振腔10。

所述腔体19的高度可调，即所述同轴谐振腔10的腔长h可调。通过调节腔体19高度，也就是调整腔长h，能改变所述同轴谐振腔10的谐振频率，所述腔长h越小同轴谐振腔10的谐振频率越高。因此调节腔体19的高度时，同轴谐振腔10的谐振频率也随之变化，其变化范围即为所述同轴谐振腔10的谐振频率范围。由于控制了所述腔体19的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，同轴谐振腔10的谐振频率高，因此该同轴谐振腔10的谐振频率范围宽。并且通过调节腔体19的高度，同轴谐振腔10的谐振频率在所述谐振频率范围连续变化，因此可通过改变腔体19的高度，能在所述谐振频率范围内快速调整所述同轴谐振腔10的谐振频率。

具体的，如图1和图2中所示，所述腔体19内设置可沿腔体19轴向方向移动的滑块124。沿轴向移动滑块124，即可改变腔长h，结构简单。优选地，所述同轴谐振腔10进一步包括用于移动滑块124的调节组件，所述调节组件包括与滑块124相连的伸缩杆22以及控制伸缩杆22伸缩的促动器21。所述伸缩杆22的伸缩带动滑块124沿轴向方向移动，从而改变腔长h，这样设置能快速准确的调节腔长h。然而腔长h太小时，输出的微波信号中杂波多，对高阶谐波的干扰大，优选地，同轴谐振腔10的腔长h大于所述腔体19圆环柱的外圆半径与内圆半径之和。

优选地，所述同轴谐振腔10进一步包括同轴套设的内导体11和外导体12，所述内导体11包括圆柱体主体111，其远离滑块124的一端，也即靠近腔体19底部的一端面形成一个尖端，所述腔体19底部开设一孔125，所述尖端从该孔125伸出腔体外即形成探针113。所述内导体11的外壁即形成所述腔体19圆环柱体的内圆表面。所述外导体12为中空体，其内壁即形成所述腔体19圆环柱体的外圆表面。也即所述内导体11的外壁和外导体12的内壁之间形成所述腔体19。通过设置独立且同轴设置的内导体11与外导体12，能方便快捷地对内导体11和外导体12分别进行更换，从而改变所述腔体19圆环柱体的外圆半径与内圆半径。如图2中所示，所述内导体主体111的半径即为内导体11的半径a，而内导体11的半径a即为所述腔体19的圆环柱体内圆半径。优选地，所述内导体主体111与所述探针113之间设置过渡段112，所述过渡段112的设置可以保证内导体主体111与所述探针113的连接处微波传播稳定。具体的，所述过渡段112为圆锥台，该圆锥台面积较大的端面与内导体主体111的端面相连，面积较小的端面上设置所述探针113。这样设置结构简单，微波传播稳定性好。所述内导体11可以是一体成型的；也可以是分体结构，如探针113可拆卸，能进行更换。

所述外导体12的形状可以是正方体、长方体或圆柱体等形状中的任一种，在此不受限制。只需满足其中空部分为圆柱体，使得外导体12的内壁与内导体11外壁之间形成圆环柱体的腔体19即可。

优选地，如图1中所示，所述外导体12呈中空圆柱体，所述外导体12的一端，即腔体19顶部开口形成一开口端121，另一端即腔体19底部封闭形成一封闭端123。也就是说，所述外导体12包括一圆柱形外壁122、一开口端121及一封闭端123。所述滑块124设置在所述外导体12内，可沿外导体12轴向移动，所述滑块124的形状与圆柱形外壁122相匹配，即对所述开口端121形成封闭。所述内导体主体111远离探针113的一端伸出所述滑块124，滑块124上开设有供所述内导体主体111伸出的通孔(图未示)。所述圆柱形外壁122的半径即为外导体12的半径b，而外导体12的半径b即为所述腔体19的圆环柱体外圆半径。

请参阅图4，优选地，所述外导体12的开口端121设有第一端盖17，所述促动器21固定在第一端盖17上，通过设置第一端盖17能提高所述同轴谐振腔10的整体稳定性。优选地，如图3所示，所述封闭端123在孔125处嵌设有屏蔽环126，所述屏蔽环126环绕探针113。优选的，所述屏蔽环126由白宝石制成，屏蔽效果好。

在本发明所提供的所述同轴谐振腔10的腔体19内，由耦合机构14激励的微波以简单的TEM波(Transverse Electric and Magnetic Field)传播方式进行传播。所述耦合机构14可以是耦合探针、耦合环或者耦合孔。其中，耦合探针为电耦合；耦合环为磁耦合；耦合孔为绕射耦合，根据耦合孔位置不同，耦合孔的耦合方式可以是单一的电耦合或磁耦合，也可以是电、磁耦合同时存在。

优选地，所述耦合机构14为耦合环，耦合方式为单一的磁耦合，微波在同轴谐振腔10内传输的分析较简单。这样腔体19内靠近滑块124一端磁场最强而电场最弱，腔体19内微波以TEM的传播方式经过1/4个周期后，磁场变为最弱而电场达到最强。因此通过移动滑块124，即改变腔长h，使得腔长h为腔体19内微波波长的1/4,这样微波到达外导体12的封闭端123时刚好经过1/4个周期，电场达到最强，并通过探针113引出所述腔体19之外以形成强电场，该强电场的电场强度可达到10kV/cm。

更进一步地，在本发明一些较优的实施例中，所述耦合环设置在所述滑块124朝向腔体19的侧面上，所述滑块124相对耦合环的侧面上设置接头15，所述接头15用于连接微波信号产生装置(图未示)或微波信号接受装置(图未示)。也就是说微波信号产生装置通过接头15向耦合环输入第一微波信号，利用耦合环的磁耦合作用转换为第二微波信号并在腔体19内传输，最后通过耦合环进行耦合形成第三微波信号输出至一微波信号接收装置。单个耦合环可完成所述第一微波信号向所述第二微波信号的转换与传输及所述第二微波信号到所述第三微波信号的转换及传输，因此所述耦合环可以是一个，也可以是多个。

本发明另外一些优选的实施例中，所述耦合环包括沿所述同轴谐振腔10轴线对称设置的第一耦合环141和第二耦合环142，分别用于微波信号的输入和输出，即通过第一耦合环141输入同轴谐振腔10，同轴谐振腔10所产生的谐振微波信号通过第二耦合环142输出。这样能有效提高同轴谐振腔10内激荡和耦合效果。如图2中所示，所述耦合环的半径为c，优选地，为避免微波信号中杂波的出现，并保证较高的品质因数，所述耦合环半径与腔体19的圆环柱体内圆半径之比，也就是耦合环半径与内导体11半径之比为(0.5-1):1，即c/a为(0.5-1):1。最优的是，所述耦合环的半径与内导体半径之比为0.5，即c/a＝0.5。

优选地，如图4所示，所述腔体19内靠近所述探针113的一端设置介质层16，介质层16的形状与腔体19相匹配，所述介质层16由无机材料制得，该介质层16的介电常数大于1。通过填充介质层16能降低同轴谐振腔10的谐振频率，进一步扩宽同轴谐振腔10的谐振频率范围。

对于通过设置介质层16能降低同轴谐振腔10的谐振频率，其原理在于：

在同轴谐振腔10中传输的微波波长可由波速及谐振频率表示：

λ＝v/f (1)

其中λ为波长，v为波速，f为谐振频率。

微波传输过程中通过介质层16时波长不变，则可得到：

v₁/f₁＝v₂/f₂ (2)

其中v₁、v₂为通过介质层16前、后的波速，f₁、f₂为通过介质层16前后的谐振频率。且通过介质层16前，微波在空气中传输，v₁可由光速c表示；通过介质层16后，微波在介质层16中传输，其波速可表示为：

v₂＝c/n (3)

其中，n为折射率。由于介质层16为无机材料，折射率可表示为：

$n=\sqrt{{\mathrm{\μ\ϵ}}_1}---\left(4\right)$

其中，μ为介质层16的磁导率，ε₁为介质层16的介电常数。介质层16为无机材料，其磁导率近似等于1，所以取μ＝1。

因此，可得：

$f_2/f_1=1/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}---\left(5\right)$

由于介质层16的介电常数大于1，即介电常数ε₁大于1，所以f₂/f₁小于1，即f₂小于f₁，降低了谐振频率。

优选地，如图4中所示，所述外导体12的封闭端123为可拆卸的第二端盖18，方便更换介质层16，能得到不同的谐振频率范围。优选地，所述介质层16由白宝石制得，白宝石的介电损耗小，可以保证得到较高品质因数的同轴谐振腔10，如图5中所示，介质层16的高度为d。

优选地，介质层16的高度与腔体19的圆环柱体内圆半径，也就是介质层16的高度与内导体11半径的之比为(1.5-2.5):1，即d/a为1.5-2.5，这样能有效降低谐振频率的同时，保证较高的品质因数。其中，最优的是介质层16的高度与腔体19的圆环柱体内圆半径的之比为2，即d/a＝2。

以下，采用仿真测试，所述仿真测试包括微波信号测试、谐振频率测试、品质因数测试等，对上述所述同轴谐振腔10中具体的限定参数进行验证。

对于上述所述同轴谐振腔10进行验证。

1、外导体12半径与内导体11半径的比值对同轴谐振腔10谐波的影响

所述外导体12半径b与内导体11半径a的比值为n，对n取不同值的同轴谐振腔10进行仿真测试，其结果如图5、图6和图7所示。

图5中(a)为n＝2.5时的微波信号曲线，尖峰是同轴谐振腔10筛选出来的谐振频率，且尖峰的峰形越尖则表明品质因数越高，下凹的则是被滤出的频段，其中R 1、R2、R3分别为基波、3阶谐波和5阶谐波；图5中(b)为n＝3.5时的微波信号曲线；图5中(c)为n＝5时的微波信号曲线；图5中(c)为n＝6时的微波信号曲线。可以看出，微波信号曲线中的基波、3阶谐波及5阶谐波均形成尖峰，当n＝2.5时，所形成的尖峰较缓，表明品质因数较低，而当n＝6时杂波明显增多，对所需要的谐波及基波、3阶谐波及5阶谐波所形成的尖峰形成干扰。因此优选地，外导体12半径b与内导体11半径a的比值n取3.5和5。

图6为基波、3阶谐波及5阶谐波的谐振频率随n增加的变化图，其中F1对应基波，F2对应3阶谐波，F3对应5阶谐波。可以看出，对着n的增加，谐振频率随之减小。图7为基波、3阶谐波及5阶谐波的品质因数随n增加的变化图，其中Q1对应基波，Q2对应3阶谐波，Q3对应5阶谐波。可以看出，随着外导体12半径b与内导体11半径a的比值n的增加，品质因数随之增加。

因此，保证品质因数较高的同时，得到高谐振频率，外导体12半径与内导体11半径的比值n优选的范围为3-5，最优的取值为4。

2、内导体11半径对同轴谐振腔10谐波的影响

对不同内导体11半径的同轴谐振腔10进行仿真测试，其结果如图8所示。

图8中(a)为内导体11半径a＝2mm时的微波信号曲线，(b)为内导体11半径a＝3mm时的微波信号曲线，(c)为内导体11半径a＝4mm时的微波信号曲线，(d)为内导体11半径a＝5mm时的微波信号曲线。

可以看出，当内导体11半径a为2mm时，基波、3阶谐波及5阶谐波形成尖峰的峰形最好，品质因数高，且杂波最少。而对比内导体11半径a为3mm、4mm及5mm时对应的微波信号曲线，可知，其基波、3阶谐波及5阶谐波形成尖峰的峰形较差，品质因数较低，且杂波较多。

因此，为得到较高的品质因数，内导体11半径最优为2mm。

3、腔长对同轴谐振腔10谐波的影响

调节腔长h并对同轴谐振腔10进行仿真测试，其结果如图9所示。

图9中(a)为腔长h＝10mm时的微波信号曲线，(b)为腔长h＝17mm时的微波信号曲线，(c)为腔长h＝24mm时的微波信号曲线，(d)为腔长h＝30mm时的微波信号曲线。可以看出腔长h＝10mm时，尖峰之间形成干扰，而随着腔长h的增加，谐振频率降低，所形成尖峰的峰形好。

具体的，腔长的范围在21-35mm之间调整时，基波的谐振频率在2GHz-4GHz之间变化、3阶谐波的谐振频率为6GHz-12GHz之间变化，5阶谐波的谐振频率为10GHz-20GHz之间变化。因此，当腔长的范围为21-35mm之间时，对应的该同轴谐振腔10的谐振频率范围为2GHz-20GHz。

4、介质层16的高度对同轴谐振腔10谐波的影响

对设置介质层16前的同轴谐振腔10及设置不同高度介质层16同轴谐振腔10进行仿真测试，其结果如图10-12所示。

图10中(a)为d＝0mm的微波信号曲线，(b)为d＝3mm的微波信号曲线，(c)为d＝9mm的微波信号曲线，(d)为d＝15mm的微波信号曲线。由图10可以看出，当介质层16高度d较小时，谐振频率较高杂波较少；当介质层16高度d较大时，谐振频率较低且杂波较多。

图11中为基波的谐振频率随介质层16高度变化的曲线，可直观的看出，同轴谐振腔10的谐振频率随介质层16高度的增大而降低。图12中为基波的品质因数随介质层16高度变化的曲线，由图12可表明谐振腔的品质因数随介质层16高度的增大而降低。

因此，从图10-12可以看出，为达到降低谐振频率的目的，并保证较高的品质因数，介质层16高度优选为5mm。该实施例中所用介质层16由白宝石制得，如果选用别的材料制备，相应的需要调整介质层16高度即可。

可见在本发明较优的实施例中，当介质层16的材料选用白宝石且介质层16高度d为5mm时，该同轴谐振腔10的谐振频率范围为1GHz-20GHz。

5、耦合环半径对同轴谐振腔10谐波的影响

在同轴谐振腔10内沿轴线对称设置两个耦合环，对不同耦合环半径的同轴谐振腔10进行仿真测试，其结果如图13所示。

图13中C1为耦合环半径c＝0.5mm的微波信号曲线，C2为耦合环半径c＝1mm的微波信号曲线，C2为c＝1.5mm的微波信号曲线，C4为c＝2mm的微波信号曲线。

由图13可以看出，耦合环半径c的改变对谐振频率几乎无影响。然而随着耦合环半径c的减小，品质因数随之提高。但是当耦合环半径c为0.5时，基波附近出现杂波。

因此，为保证较高的品质因数并避免杂波的出现，优选地，耦合环半径c为1mm。

综上，对于同轴谐振腔10的具体结构进行验证并确定最优的实施方案。具体的，内导体11半径a为2mm，外导体12半径b为8mm，腔长h的调节范围为21-35mm，介质层16由白宝石制得且高度d为5mm，耦合环设有两个且其半径为1mm。所述同轴谐振腔10的谐振频率范围为1GHz-20GHz，且品质因数高。

将上述同轴谐振腔10用于材料介电常数测试系统100、微波探伤装置、滤波器及微波杀菌装置。

具体的，本发明第二实施例提供一种材料介电常数测试系统100

当同轴谐振腔10的腔体19不变时，同轴谐振腔10有其固定的谐振频率和品质因数，当放置样品后，其谐振频率和品质因数发生变化，通过变化前后的谐振频率和品质因数即可计算出样品的介电常数、介电损耗、电导率、磁导率等电磁学性质，其中介电常数尤为重要。

2.1材料介电常数测试系统100的测试原理

所述同轴谐振腔10的等效电路为RLC串联电路，即如图14中左边虚线框中部分，同轴谐振腔10的谐振频率和品质因数可表示为：

f＝(LC)^-1/2/2π (6)

Q＝(L/C)^1/2/R (7)

其中，f为谐振频率，Q为品质因数，L为电感，C为电容，R为电阻。而电容C与同轴谐振腔10腔体19的尺寸相关，因此也表明内导体11的半径、外导体12的半径及腔长均能影响同轴谐振腔10的谐振频率和品质因数。因此一般来说，通常采用减小同轴谐振腔体积的方式，以获得高谐振频率的同轴谐振腔10。

如图15中所示，在所述探针113的针尖处放置样品31，样品31位于探针113的针尖处所形成的电磁场中，对所形成的电磁场中形成干扰。一般来说，样品31位于探针113所在的轴线上，且与探针113针头之间的距离小于3μm，以保证样品31位于探针113的针尖处所形成的电磁场中。

由于样品31的干扰，同轴谐振腔10的等效电路则从RLC串联电路变为并联RLC等效电路，如图14中整个虚线框所示，其引入的电路即如图14中右边虚线框中部分。因此放置样品后，等效电路的电容C和电阻R均发生改变，同轴谐振腔10的谐振频率f和品质因数Q也相应的发生变化。

样品31所引起的同轴谐振腔10谐振频率f和品质因数Q的变化与样品31的电磁学性质相关，可通过微扰理论推导。微扰分为两种，一为整个腔中介电常数略有变化，二为腔内很小的区域内有介电常数的变化而其他区域介质不变化。微扰前后的场量分别满足麦克斯韦方程和边界条件。

对于微扰前有：

$\begin{array}{cc}\▿\×{\stackrel{\→}{E}}_0=-{\mathrm{j\ω}}_0{\mathrm{\μ}}_0{\stackrel{\→}{H}}_0& \left(8\right)\\ \▿\×{\stackrel{\→}{H}}_0={\mathrm{j\ω}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0{\stackrel{\→}{E}}_0& \left(9\right)\\ \stackrel{\→}{n}\×{\stackrel{\→}{E}}_0=0& \left(10\right)\end{array}$

其中，为微扰前同轴谐振腔10内的电场，为微扰前同轴谐振腔10内的磁场，ω₀为微扰前同轴谐振腔10内的谐振频率，μ₀为微扰前同轴谐振腔10内的磁导率，ε₀为微扰前同轴谐振腔10内的介电常数，为同轴谐振腔10内的单位法向量。

对于微扰后有：

$\begin{array}{cc}\▿\×\stackrel{\→}{E}=-j\mathrm{\ω}({\mathrm{\μ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\μ})\stackrel{\→}{H}& \left(11\right)\\ \▿\×\stackrel{\→}{H}=j\mathrm{\ω}({\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ})\stackrel{\→}{E}& \left(12\right)\\ \stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}=0& \left(13\right)\end{array}$

其中，为微扰后同轴谐振腔10内的电场，为微扰后同轴谐振腔10内的磁场，ω为微扰后同轴谐振腔10内的谐振频率，Δμ为微扰引入的磁导率增量，Δε为微扰引入的介电常数增量。

推导过程与腔壁微扰情况相似，可得：

$\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{{\mathrm{\ω}}_0}=-\frac{{\∫}_{\mathrm{\Δ}V}\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\right|E_0{|}^2+\mathrm{\Δ}\mathrm{\μ}\left|H_0{|}^2\right)dV}{{\∫}_V\left({\mathrm{\ϵ}}_0\right|E_0{|}^2+{\mathrm{\μ}}_0\left|H_0{|}^2\right)dV}=-\frac{{\∫}_{\mathrm{\Δ}V}\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\right|E_0{|}^2+\mathrm{\Δ}\mathrm{\μ}\left|H_0{|}^2\right)dV}{4W}---\left(14\right)$

通过上式可以用来计算得到介电常数ε_r和磁导率μ_r。

对于有耗介质，上式依然成立，但介电常数和谐振频率均要用复数形式带入：

μ＝μ₀ Δμ＝0(15)

ε＝ε₀(ε′-jε″)(16)

${\mathrm{\ω}}_0^{\′}={\mathrm{\ω}}_0+j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Q_0}---\left(17\right)$

${\mathrm{\ω}}^{\′}=\mathrm{\ω}+j\frac{\mathrm{\ω}}{2Q}---\left(18\right)$

其中，μ为微扰后同轴谐振腔10内的磁导率，ε为微扰后同轴谐振腔10内的介电常数，ε′为介电常数ε的实部，ε″为介电常数ε的虚部，Q ₀为微扰前同轴谐振腔10内的品质因数，Q为微扰后同轴谐振腔10内的品质因数。

将上式分为两项：

即得到介电常数与谐振频率、品质因数的关系。可见，有耗介质实部引起谐振频率偏移，虚部引起空腔品质因数改变。因此，通过微扰前后，也就是样品31对于同轴谐振腔10进行微扰前后，所测得的谐振频率和品质因数，利用式(20)、式(21)即可计算得到所测样品31的介电常数。

2.2材料介电常数测试系统100的具体结构

结合图15、图16及图1所示，该材料介电常数测试系统100包括所述同轴谐振腔10及控制系统60，所述控制系统60可完成微波信号的输入、输出及分析。所述同轴谐振腔10的谐振频率即为所述材料介电常数测试系统的测试频率；同轴谐振腔10的谐振频率范围即为所述材料介电常数测试系统的测试范围；所述同轴谐振腔10的品质因数高且杂波少时，所述材料介电常数测试系统的测试准确度高。

优选地，所述控制系统60包括网络分析仪40和计算机50，所述网络分析仪40可用于微波信号的输入、输出及分析，网络分析仪40也就是前文中所述的微波信号发生装置或微波信号接收装置；所述计算机50可用于提供人机操作界面及控制网络分析仪40，并对数据进行计算得到所测材料的介电常数。

具体的，所述同轴谐振腔10与网络分析仪40相连，所述网络分析仪40与计算机50相连，通过计算机50控制网络分析仪40，并且得到网络分析仪40所分析的数据及结果。由于所述同轴谐振腔10的谐振频率范围宽，因此所述测试系统具有测试频率范围宽的优点，且通过探针113进行样品31的测试，测试速度快。

优选地，所述材料介电常数测试系统100还包括调节器20，能调节同轴谐振腔10的谐振频率以及同轴谐振腔10与样品31之间的位置。所述调节器20由计算机50控制，调节器20与计算机50可以通过电缆线相连，也可以采用无线连接方式，如无线网络连接或蓝牙连接。具体的，所述调节器20包括第一调节器201，第一调节器201与促动器21相连，即能通过改变腔长调节同轴谐振腔10的谐振频率；所述调节器20进一步包括第二调节器202，第二调节器202与样品放置台30相连，能移动样片放置台30，从而调整样品31与探针113之间的位置。

优选地，第二调节器202与移动块23相连，所述移动块23能带动同轴谐振腔10沿轴向移动，即如图14中所示z轴移动。而所述样品放置台30在与轴向垂直的平面上移动，即在xy平面上沿x轴、y轴移动。这样能保证同轴谐振腔10与样品31之间的位置调整的快速性及准确性。

优选地，如图17所示，所述样品31可为组合样品，包括若干子样品32。所述子样品32阵列排布，通过移动样品放置台30，使不同的子样品32位于探针113的针尖处所形成的电磁场中。这样能快速对所有子样品32进行测试，实现材料高通量实验。并且由于材料的介电常数与测试时的频率密切相关，也就是说在不同的频率下，所测试获得的子样品32的介电常数也不同。因此采用实施例一中所提供的同轴谐振腔10，能全面覆盖1-20GHz的频率范围，提供更加全面准确的测试数据，适合大量材料的筛选工作。

由式(20)、式(21)可知，计算时需利用微扰前同轴谐振腔10的谐振频率和品质因数。由于同轴谐振腔10空腔下的谐振频率及品质因数为固定值，因此优选地，所述材料介电常数测试系统100还包括数据库，所述数据库为同轴谐振腔10的空腔状态时，即未放置样品进行微扰前的数据集合。即同轴谐振腔10不同腔长、不同介质层16及介质层16高度时，所对应的基波、3阶谐波和5阶谐波的谐振频率和品质因数。这样直接测试放置样品32后的谐振频率及品质因数，空腔状态下的谐振频率及品质因数则直接从数据库中进行调取，能有效加快测试速度，提高测试效率。

此外，由于不同频率下材料的介电常数不同，当对材料进行测试时需要考虑其用途，并针对性地测试材料在某一特定的频率下的介电常数。因此可以利用数据库，便于谐振腔谐振频率的快速设置，能针对性的进行测试，提高测试效率。

建立数据库的流程图如图18所示，包括以下步骤：

步骤S1：记录腔长和介质层信息。即通过计算机记录下当前的腔长和介质层信息，介质层信息即为介质层材料及其高度。

步骤S2：进行扫频测试得到谐振频率和品质因数。通过网络分析仪进行扫频得到基波、3阶谐波和5阶谐波的谐振频率和品质因数，网络分析仪将所测得的信息传送至计算机。

步骤S3：将扫频测试得到的谐振频率和品质因数进行记录，并与所记录的腔长和介质层信息相对应。即计算机将步骤S2所测得的谐振频率和品质因数进行记录，并与步骤S1所记录的腔长和介质层信息相对应。

步骤S4：调节腔长或更换介质层。对同轴谐振腔的腔长和介质层进行调整，以进行下一组的测试。

步骤S5：重复步骤S1-S4并存储数据。即重复前述步骤并存储数据，所存储的数据即为不同腔长、不同介质层材料及介质层高度时，所对应的基波、3阶谐波和5阶谐波的谐振频率和品质因数，将所得的所有数据进行存储即形成所述数据库。

2.3基于材料介电常数测试系统100的测试方法

该基于材料介电常数测试系统100的测试方法，包括以下步骤：

步骤T1：获取同轴谐振腔空腔时的谐振频率和品质因数。即获取放置样品前同轴谐振腔的谐振频率和品质因数，其包括基波、3阶谐波和5阶谐波的谐振频率和品质因数。

当所述材料介电常数测试系统包括所述数据库时，计算机根据当前的腔长及介质层信息，计算机可直接提取空腔状态下同轴谐振腔的谐振频率和品质因数，进一步提高测试速度及测试效率；当然也可以对空腔状态下的同轴谐振腔进行扫频测试，获取谐振频率和品质因数。

步骤T2：放置样品。即将样品放至同轴谐振腔的探针处，使其位于探针的针尖处所形成的电磁场中。如果是组合样品，由计算机发送调节命令给调节器，通过调节器将不同子样品移动至探针的针尖处，并位于针尖处所形成的电磁场中。这样能快速有序的对所有子样品进行测试。

步骤T3：进行扫频测试，得到放置样品后同轴谐振腔的谐振频率和品质因数。即通过网络分析仪进行扫频得到基波、3阶谐波和5阶谐波的谐振频率和品质因数，网络分析仪将所测得的信息传送至计算机。

步骤T4：根据同轴谐振腔放置样品前后的谐振频率和品质因数计算样品的介电常数。也就是利用步骤T1获取的空腔状态下同轴谐振腔的谐振频率和品质因数，及步骤T3测试得到的谐振频率和品质因数，通过式(20)、式(21)计算得到样品的介电常数。

当需要测试多个频率下样品的介电常数时，该测试方法还包括步骤T5：调整腔长或更换介质层。一般来说，调整腔长更为方便快速，而更换介质层旨在进一步降低谐振频率。完成步骤T5后，重复步骤T1-T4，这样能得到不同频率下样品的介电常数。当然需要测定指定频率下样品的介电常数时，只需利用数据库得到该指定频率时的腔长和介质层信息，根据数据库得到的信息调整腔长或更换介质层，进行步骤T1-T4即可得到该指定频率下样品的介电常数。

由于所述材料介电常数测试系统100及测试方法采用了所述同轴谐振腔10，具有以下优点：

(1)该材料介电常数测试系统100及测试方法仅需测试同轴谐振腔10的谐振频率和品质因数，然后通过两个公式计算即可得到样品的介电常数，数据处理简单，测试效率高。

(2)该材料介电常数测试系统100及测试方法通过同轴谐振腔10的探针113进行扫描式检测，测试速度快。

(3)该材料介电常数测试系统100及测试方法测试一次即可得到三个频率下样品31的介电常数，具体是基波、3阶谐波和5阶谐波所对应的三个频率测试点的测试结果。这样不仅提高测试效率，而且测试点分布较广，经过一次测试就能大致了解在测试范围内所测样品31介电常数的变化情况。

(4)所述同轴谐振腔10的品质因数高，高阶谐波附近杂波少，因此所述材料介电常数测试系统100及测试方法的测试准确度高。

优选地，所述同轴谐振腔10的腔体19高度可调，所述腔体19的高度大于所述腔体19圆环柱的外圆半径与内圆半径之和。调节腔体19的高度时，同轴谐振腔10的谐振频率也随之变化，其变化范围即为所述同轴谐振腔10的谐振频率范围。由于控制了所述腔体19的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，同轴谐振腔10的谐振频率高，因此该同轴谐振腔10的谐振频率范围宽。并且通过控制腔体19的高度大于所述腔体19圆环柱的外圆半径与内圆半径之和，避免高阶谐波附近出现杂波，保证测试准确度。

该材料介电常数测试系统100及测试方法的测试范围即为同轴谐振腔10的谐振频率的范围，而该同轴谐振腔10的谐振频率范围宽，因此该材料介电常数测试系统100及方法的测试范围大。

优选地，所述材料介电常数测试系统100进一步包括所述数据库时，所述材料介电常数测试系统100及测试方法，能进一步提高测试速度及测试效率。

因此，所述材料介电常数测试系统100及测试方法具有测试效率高、速度快、测试范围大及测试准确度高的优点，适合用于高通量测试。

具体地，本发明第三实施例提供一种微波探伤装置

本发明还提供一种微波探伤装置，其采用本发明提供的同轴谐振腔。利用所述同轴谐振腔，其探针的针尖处放置样品，测试速度快。样品与针尖的相互作用会改变同轴谐振腔的谐振频率和品质因数，通过同轴谐振腔的谐振频率和品质因数的变化即可完成检测。并且由于微波方向性好，贯穿介电材料能力强，但是不能穿透金属和导电性能较好的材料。因此能探测到样品的内部是否损伤，并通过测量数据，得到所测样品内部结构的图像，测试结果准确性好。

微波探伤的测试系统的结构可以与实施例二中材料介电常数测试系统100相同，只是由于原理不同，计算机处理数据和计算过程不一致，因此仅仅是计算机所搭载的测试软件不同而已。

具体地，本发明第四实施例提供一种滤波器

本发明还提供一种滤波器，其采用本发明提供的同轴谐振腔10。所述滤波器利用所述同轴谐振腔10选频的作用实现滤波，该滤波器的中心频率即为同轴谐振腔10的谐振频率，其带宽则由品质因素决定。由于所述同轴谐振腔10的谐振频率范围宽，因此具有频率范围宽的优点。还可通过调节腔长，改变同轴谐振腔10的谐振频率和品质因数，进而调整滤波器的中心频率及带宽，使得所述滤波器具有可调性。此外，还可利用实施例二中建立的数据库，根据实际对滤波效果的需求，通过改变腔长和介质层即对该滤波器的谐振频率和带宽进行准确调节。

具体地，本发明第五实施例提供一种微波杀菌装置

本发明还提供一种微波杀菌装置，其采用本发明提供的同轴谐振腔10。本发明所提供同轴谐振腔10的探针113针尖处可形成强电场，利用形成的强电场可用于杀菌。

所述微波杀菌装置的原理在于：在细胞膜上施加电磁场，当电磁场强度达到kV/cm量级，且持续时间在微妙和毫秒之间，即持续范围为1-1000微妙时，能改变细胞膜电导率，与此同时，细胞膜会出现微孔，暂时失去了其屏障功能，从而使得内部物质外泄，大分子吸收量增加，这就是细胞膜“电穿孔”现象。根据施加电场强度的大小和作用时间又可分为可逆电穿孔和不可逆电穿孔。这种现象属于一种生物物理现象，它的优点有效率高、无残余毒性、参数易控制等。

具体的，本发明所提供的同轴谐振腔10，采用耦合环14进行磁耦合时，腔体19内微波以TEM的传播方式经过1/4个周期后，磁场变为最弱而电场达到最强。即通过移动滑块124，也就是改变腔长，使得腔长为输入的微波信号波长的1/4，或者是改变输入的微波信号的波长，使其波长为腔长的4倍，均能够使得外导体12的封闭端123电场达到最强，并通过探针113引出腔外形成强电场，其电场强度可达到10kV/cm，杀菌效果好。

与现有技术相比，本发明所提供的同轴谐振腔，其包括耦合机构和腔体，所述耦合机构容置于腔体内，用于腔体内微波的激励或耦合；所述同轴谐振腔还包括伸出腔体的探针，所述探针与所述腔体同轴设置；所述腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。通过耦合机构的激励作用，腔体内形成电磁场。通过设置所述探针，能在探针的针尖处形成一个场强非常集中的电磁场。当圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1时，所述同轴谐振腔的高阶谐波，如三阶谐波和五阶谐波的附近杂波少，且高阶谐波具有较高的品质因数。而高阶谐波的谐振频率明显高于基波，如三阶谐波和五阶谐波的谐振频率约为基波的谐振频率的三倍和五倍，因此在不需要减小同轴谐振腔尺寸的基础上，通过控制所述腔体的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，可有效提高谐振频率。

进一步的是，所述腔体的高度可调，所述腔体的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和。调节腔体的高度时，同轴谐振腔的谐振频率也随之变化，其变化范围即为所述同轴谐振腔的谐振频率范围。由于所述同轴谐振腔的谐振频率高，因此该同轴谐振腔的谐振频率范围宽。此外通过调节腔体的高度，同轴谐振腔的谐振频率在所述谐振频率范围连续变化，因此可通过改变腔体的高度，能在所述谐振频率范围内快速调整所述同轴谐振腔的谐振频率。并且控制所述腔体的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和，能避免输出微波信号中出现杂波。

进一步的是，所述同轴谐振腔包括同轴套设的内导体和外导体，所述内导体的外壁和外导体的内壁之间形成腔体；所述内导体呈一端面带有尖端的圆柱体，该尖端形成探针。这样能方便快捷地对内导体和外导体分别进行更换，从而改变所述腔体圆环柱体的外圆半径与内圆半径。

进一步的是，所述腔体内靠近所述探针的一端设置介质层，介质层的形状与腔体相匹配；所述介质层由无机材料制得，其介电常数大于1。通过设置介质层能降低同轴谐振腔的谐振频率，进一步扩宽同轴谐振腔的谐振频率范围。

进一步的是，所述介质层由白宝石制得，介质层的高度与腔体的圆环柱体内圆半径的之比为(1.5-2.5):1。这样能有效降低谐振频率的同时，保证较高的品质因数。

进一步的是，所述耦合机构包括至少一耦合环，所述耦合环的半径与腔体的圆环柱体内圆半径之比为(0.5-1):1。这样能避免微波信号中杂波的出现，并保证较高的品质因数。

与现有技术相比，本发明的材料介电常数测试系统，其采用上述的同轴谐振腔，具有测试速度快、测试效率高的优点。

与现有技术相比，本发明的微波探伤装置，其采用上述的同轴谐振腔，具有测试速度快，准确性好的优点。

与现有技术相比，本发明的滤波器，其采用上述的同轴谐振腔，具有频率范围宽的优点。

与现有技术相比，本发明的微波杀菌装置，其采用上述的同轴谐振腔，具有杀菌效果好的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同轴谐振腔，包括耦合机构和腔体，所述耦合机构容置于腔体内，用于腔体内微波的激励或耦合；其特征在于：所述同轴谐振腔还包括伸出腔体的探针，所述探针与所述腔体同轴设置；所述腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。

2.如权利要求1所述同轴谐振腔，其特征在于：所述腔体的高度可调，所述腔体的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和。

3.如权利要求1所述同轴谐振腔，其特征在于：所述同轴谐振腔包括同轴套设的内导体和外导体，所述内导体的外壁和外导体的内壁之间形成腔体；所述内导体呈一端面带有尖端的圆柱体，该尖端形成探针。

4.如权利要求1所述同轴谐振腔，其特征在于：所述腔体内靠近所述探针的一端设置介质层，介质层的形状与腔体相匹配；所述介质层由无机材料制得，其介电常数大于1。

5.如权利要求4所述同轴谐振腔，其特征在于：所述介质层由白宝石制得，介质层的高度与腔体的圆环柱体内圆半径的之比为(1.5-2.5):1。

6.如权利要求1所述同轴谐振腔，其特征在于：所述耦合机构包括至少一耦合环，所述耦合环的半径与腔体的圆环柱体内圆半径之比为(0.5-1):1。

7.一种同轴谐振腔的应用，其特征在于：将权利要求1-6任一项中所述的同轴谐振腔用于材料电磁学性质的测试系统。

8.一种同轴谐振腔的应用，其特征在于：将权利要求1-6任一项中所述的同轴谐振腔用于微波探伤装置。

9.一种同轴谐振腔的应用，其特征在于：将权利要求1-6任一项中所述的同轴谐振腔用于滤波器。

10.一种同轴谐振腔的应用，其特征在于：将权利要求1-6任一项中所述的同轴谐振腔用于微波杀菌装置。