CN109030956A - 一种反射式矩形谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式矩形谐振腔，具体涉及一种用于测量材料复介电常数与复磁导率，工作于TE10p模的反射式矩形谐振腔。该谐振腔由矩形波导管和两个短路板组成，矩形波导管为整个谐振腔的核心部件；在矩形波导管的中心位置处，分别沿水平与垂直方向开孔，用来放置被测材料；短路板分别置于矩形波导管的两端，使电磁波可以在矩形波导管中发生反射形成驻波分布；在谐振腔一端短路板的中心位置处开有通孔，可将电磁波耦合到矩形波导管中，并使谐振腔工作在欠耦合状态，提高谐振腔的品质因数。本发明的反射式矩形谐振腔，可以实现多频点下的电磁参数测量，并且该谐振腔具有高品质因数特性，可以实现材料的复介电常数与复磁导率的虚部的高灵敏度测量。

Description

一种反射式矩形谐振腔
技术领域
本发明涉及一种反射式矩形谐振腔，该谐振腔工作在TE10p模，主要用于材料电磁参数测量，涉及微波材料电磁参数测量技术领域。
背景技术
近年来，微波技术迅速发展，已涉及到工程技术领域的许多方面。在微波技术中，微波材料被广泛地应用于制作电路基片、滤波器、天线的介质外罩、介质波导、匹配终端等各种微波器件中。微波材料的电磁参数包括复介电常数与复磁导率两部分，通常以复数形式ε＝ε’-jε”，μ＝μ’–jμ”表示，是物质本身固有的参数，反映了物质与电磁场的相互作用关系。对于设计和研制微波器件而言，要获取最优性能与最佳尺寸，就必须准确测量材料电磁参数。
在微波频段内，材料的电磁参数测量方法一般可分为两类：一类是非谐振法，包括自由空间法、传输线法等；另一类是谐振法，主要通过各种形式的谐振腔来实现材料的电磁参数的测量。本发明属于谐振法的一种，其主要原理是将被测微波材料放入谐振腔中，利用网络分析仪获取材料放入前后谐振腔内谐振频率与品质因数的变化，提取被测材料的复介电常数与复磁导率。
在进行低损耗微波材料复介电常数或复磁导率虚部测量时，通常选用高品质因数的圆柱形谐振腔，但是在利用圆柱形谐振腔进行测量时，腔体内会存在大量非谐振摸与高次谐振模，对工作模式的确定存在大量干扰，导致测量结果不准确，且利用圆柱形谐振腔很难进行复磁导率的测量。
发明内容
本发明提供一种具有高品质因数、能实现一腔多模、可以测量复介电常数与复磁导率、工作于TE10p的反射式矩形谐振腔。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种反射式矩形谐振腔，具体结构设计如下：
一种反射式矩形谐振腔，如图1至图4所示，包括中心开孔的矩形波导管(1)和两端的短路板组成，两端的短路板分为一端开孔的带耦合孔短路板(5)，另一端不开孔的短路板(8)。带耦合孔短路板(5)和短路板(8)与矩形波导管(1)用螺栓及矩形波导管法兰盘(3)连接在一起，形成一个反射式矩形谐振腔；在带耦合孔短路板(5)的中心位置处开有圆形通孔，该圆形通孔作为微波输入的耦合孔(4)，带耦合孔短路板(5)的周向设有螺栓孔(6)；在矩形波导管(1)水平方向的中心位置处开有圆形孔即复介电常数测量孔(2)，复介电常数测量孔(2)用来测量复磁导率；在矩形波导管(1)垂直方向的中心位置处开有圆形孔即复磁导率测量孔(7)，复介电常数测量孔(2)和复磁导率测量孔(7)作为待测材料的放置孔，分别用来测量复磁导率与复介电常数。
矩形波导管(1)与两端的短路板均由铜或者铝加工制成；
反射式矩形谐振腔工作时，将待测介质材料沿垂直方向插入反射式矩形谐振腔垂直方向中心孔即复介电常数测量孔(2)处，在带有耦合孔(4)的一端耦合入测试微波，通过另一端短路板(8)反射，在腔内形成驻波分布，选用的奇数工作模式(TE10p，p＝1,3,5…)的电磁波对待测介质材料进行复介电常数的测量；将待测介质材料沿水平方向插入反射式矩形谐振腔水平方向中心孔即复磁导率测量孔(7)处，在带有耦合孔(4)的一端耦合入测试微波，通过另一端短路板(8)对测试微波进行反射在腔内形成驻波分布，选用偶数工作模式(TE10p，p＝2,4,6…)的电磁波对待测介质材料进行复磁导率的测量。
基于谐振腔法，提供了一种高品质因数、实现一腔多模的反射式矩形谐振腔，可以实现复电磁参数虚部测量；该谐振腔不仅适合低损耗材料复电磁参数的测量，同样适用于高损耗材料的测量；此外，该谐振腔还可以实现多频点下材料复电磁参数的测量。
附图说明
图1反射式矩形谐振腔结构示意图；
图2反射式矩形谐振腔剖面图；
图3矩形波导管示意图；
图4带耦合孔短路板示意图；
图5短路板示意图；
图6 X波段(8-12GHz)内谐振腔的S11曲线；
图7TE109工作模式下谐振腔的S11曲线；
图8TE108工作模式下谐振腔的S11曲线。
图中：1、矩形波导管，2、复介电常数测量孔，3、矩形波导管法兰盘，4、耦合孔，5、带耦合孔短路板，6、螺栓孔，7、复磁导率测量孔，8、短路板。
具体实施方式
下面以一个反射式谐振腔实例对具体的实施方式作进一步的说明。
矩形波导管(1)、带耦合孔短路板(5)和短路板(8)均选用铝金属材料加工制成，腔体内表面粗糙度Ra<12.5μm。
整个反射式谐振腔的核心部件为矩形波导管(1)，利用螺栓将带耦合孔的短路板(5)、不带耦合孔的短路板(8)与矩形波导管(1)连接起来，形成一个反射式矩形谐振腔，其中，矩形波导管长度为179mm，复介电常数与复磁导率的测量孔直径为5.5mm，微波耦合孔直径为4mm，两端短路板的厚度为1mm，螺栓孔(6)为通孔，直径为4.17mm。
该谐振腔整个X波段内的S11曲线图如图5所示，其谐振模式从左到右依次为：TE106，TE107，TE108，TE109，TE1010，TE1011，TE1012。
反射式矩形谐振腔工作在奇数模时(以TE109为例，其S11曲线如图6所示)，将待测介质材料沿垂直方向插入反射式矩形谐振腔垂直方向中心孔(2)，在带有耦合孔短路板(5)的一端耦合入测试微波，通过另一端短路板(8)反射，在腔内形成驻波分布，通过提取谐振腔的谐振频率与品质因数计算待测介质材料的复介电常数。如图6所示，TE109工作模的谐振频率f为9.9961GHz，品质因数Q为33000。
反射式矩形谐振腔工作在偶数模时(以TE108为例，其S11曲线如图7所示)，将待测介质材料沿水平方向插入反射式矩形谐振腔水平方向中心孔(7)，在带有耦合孔短路板(5)的一端耦合入测试微波，通过另一端短路板(8)反射，在腔内形成驻波分布，通过提取谐振腔的谐振频率与品质因数计算待测介质材料的复磁导率。如图7所示，TE108工作模的谐振频率f为9.3631GHz，品质因数Q为16265。

Claims (3)

1.一种反射式矩形谐振腔，其特征在于：包括中心开孔的矩形波导管(1)和两端的短路板组成，两端的短路板分为一端开孔的带耦合孔短路板(5)，另一端不开孔的短路板(8)；带耦合孔短路板(5)和短路板(8)与矩形波导管(1)用螺栓及矩形波导管法兰盘(3)连接在一起，形成一个反射式矩形谐振腔；在带耦合孔短路板(5)的中心位置处开有圆形通孔，该圆形通孔作为微波输入的耦合孔(4)，带耦合孔短路板(5)的周向设有螺栓孔(6)；在矩形波导管(1)水平方向的中心位置处开有圆形孔即复介电常数测量孔(2)，复介电常数测量孔(2)用来测量复磁导率；在矩形波导管(1)垂直方向的中心位置处开有圆形孔即复磁导率测量孔(7)，复介电常数测量孔(2)和复磁导率测量孔(7)作为待测材料的放置孔，分别用来测量复磁导率与复介电常数。
2.根据权利要求1所述的一种反射式矩形谐振腔，其特征在于：矩形波导管(1)与两端的短路板均由铜或者铝加工制成。
3.根据权利要求1所述的一种反射式矩形谐振腔，其特征在于：反射式矩形谐振腔工作时，将待测介质材料沿垂直方向插入反射式矩形谐振腔垂直方向中心孔即复介电常数测量孔(2)处，在带有耦合孔(4)的一端耦合入测试微波，通过另一端短路板(8)反射，在腔内形成驻波分布，选用的奇数工作模式的电磁波对待测介质材料进行复介电常数的测量；将待测介质材料沿水平方向插入反射式矩形谐振腔水平方向中心孔即复磁导率测量孔(7)处，在带有耦合孔(4)的一端耦合入测试微波，通过另一端短路板(8)对测试微波进行反射在腔内形成驻波分布，选用偶数工作模式的电磁波对待测介质材料进行复磁导率的测量。
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