CN208334509U - 一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统 - Google Patents

Abstract

一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，涉及大损耗材料介电常数的测量领域，为了解决采用圆柱形谐振腔微扰法只能对低介电常数和低损耗材料进行测量的问题。石英管套筒插入TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔的中央，且紧密套在石英管套筒内，激励矩形直波导的窄壁与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔固定连接，激励矩形直波导与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔之间设有2个中心对称的耦合孔，激励矩形直波导的一端与终端波导负载固定连接，另一端与输入波导同轴转换器固定连接，输出SMA法兰固定在TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔侧壁的通孔处，输出SMA法兰的腔内末端设置有小圆环，小圆环与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔的横截面平行。本实用新型适用于测量大损耗材料的介电常数。

Description

一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统

技术领域

本实用新型涉及大损耗材料介电常数的测量领域。

背景技术

在微波波段，采用圆柱形谐振腔微扰法测量材料的介电常数具有相对较高的测量精确度。上个世纪七十年代，前人在测量盐水溶液的介电常数时，采用了工作于TM₀₁₀模式的圆柱形谐振腔。由于这种谐振腔样品是放在电场的最大处，为了满足微扰条件(材料的电容率只与谐振腔的频率改变有关，电导率只与谐振腔的品质因数改变有关)，沿着圆柱形谐振腔的轴向位置插入的装有待测样品的石英管就非常细。因此，以TM₀₁₀模式振荡的圆柱形谐振腔不能研究高介电常数和大损耗的材料。另外，采用TM₀₁₀模式的圆柱形谐振腔测量材料介电常数，需要加工非常细的圆棒样品，而且样品直径的加工精度的要求非常高(0.01～0.02mm)，这对于测量土壤和岩石等直径较粗的样品来说就非常困难。

通常，利用TE₀₁₁模振荡的圆柱谐振腔能采用直径大得多的圆棒样品和研究具有比较大损耗(相应介质损耗角正切tanδ＜1)的材料，而不会非常严重地破坏微扰条件，这是由于该波模谐振腔在中心处的电场是零。但在大损耗(相应tanδ＞1)材料的情况下，引入样品时，电场和磁场的畸变将显现出来，微扰条件将不再满足，谐振腔的频率改变不仅与材料的电容率有关，而且还与材料的电导率有关。所以，微扰法都只用于低介电常数和低损耗材料的测量。

实用新型内容

本实用新型是为了解决采用圆柱形谐振腔微扰法只能对低介电常数和低损耗材料进行测量的问题，从而提供一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统。

本实用新型所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，包括TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1、石英管套筒2、石英管3、激励矩形直波导4、终端波导负载5、输入波导同轴转换器6、输出SMA法兰7和固定支架8；

石英管套筒2插入TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的中央，石英管3紧密套在石英管套筒2内，激励矩形直波导4的窄壁与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1通过固定支架8固定连接，激励矩形直波导4与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1之间设有2个中心对称的耦合孔9，激励矩形直波导4通过耦合孔9向TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1耦合能量，激励矩形直波导4的一端与终端波导负载5固定连接，激励矩形直波导4的另一端与输入波导同轴转换器6固定连接，输出SMA法兰7固定在TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1侧壁的通孔处，输出SMA法兰7的腔内末端设置有小圆环7-1，小圆环7-1与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的横截面平行，用于与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1内部的磁场耦合；

输出SMA法兰7与矢量网络分析仪的输入端连接，输入波导同轴转换器6的同轴输入端6-1与矢量网络分析仪的输出端连接。

优选的是，TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1包括腔体1-1、上盖1-2和下盖1-3；

腔体1-1和上盖1-2、下盖1-3之间均通过螺钉固定安装。

优选的是，石英管套筒2通过上盖1-2中心的通孔1-2-1插入腔体1-1，石英管套筒2的顶端固定在通孔1-2-1内，石英管套筒2的底端嵌固在下盖1-3中心的凹槽1-3-1内。

优选的是，TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的内径a与高度d满足a/d＝1.414～1.82。

优选的是，TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的材料体积与腔体的体积比小于等于1‰。

优选的是，激励矩形直波导4的一端通过法兰用螺钉与终端波导负载5固定连接，激励矩形直波导4的另一端通过法兰用螺钉与输入波导同轴转换器6固定连接。

采用TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔，有利于大损耗较粗样品在中心轴处插入时不会特别严重破坏电场的微扰条件，石英管套筒的设置，有利于石英管插入到谐振腔中，有利于降低石英管自身对测量的干扰，确保待测样品的中心轴与圆柱形谐振腔的中心轴重合。石英管紧密套在石英管套筒内，石英管的外径与石英管套筒的内径配合加工，有利于确保石英管在每次测量时能够沿套筒顺利地插入而不会产生太大的间隙。激励矩形直波导的窄壁与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔通过固定支架固定连接，有利于激励矩形直波导窄壁处的磁场通过2个耦合孔在圆柱形谐振腔内激励出TE₀₁₁波模，而不会产生其他无用波模和电磁波向外泄漏。

本实用新型的谐振腔系统不仅可以用于测量较大损耗(相应tanδ＜1)的材料，而且还可以测量大损耗(相应10＞tanδ≥1)材料的介电常数，从而拓展了微扰法测量介电常数的材料范围。

附图说明

图1是具体实施方式一和二所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统的纵向剖视图；

图2是具体实施方式一中的固定支架的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，包括TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1、石英管套筒2、石英管3、激励矩形直波导4、终端波导负载5、输入波导同轴转换器6、输出SMA法兰7和固定支架8；

石英管套筒2插入TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的中央，石英管3紧密套在石英管套筒2内，激励矩形直波导4的窄壁与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1通过固定支架8固定连接，并采用螺丝8-1紧固，激励矩形直波导4与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1之间设有2个中心对称的耦合孔9，激励矩形直波导4通过耦合孔9向TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1耦合能量，激励矩形直波导4的一端与终端波导负载5固定连接，激励矩形直波导4的另一端与输入波导同轴转换器6固定连接，输出SMA法兰7固定在TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1侧壁的通孔处，输出SMA法兰7的腔内末端设置有小圆环7-1，小圆环7-1与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的横截面平行，用于与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1内部的磁场耦合；

输出SMA法兰7通过一根输出电缆与矢量网络分析仪的输入端连接，输入波导同轴转换器6的同轴输入端6-1通过一根输入电缆与矢量网络分析仪的输出端连接。

同轴匹配负载通过同轴耦合端5-1与终端波导负载5连接。

具体实施方式二：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统作进一步说明，本实施方式中，TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1包括腔体1-1、上盖1-2和下盖1-3，腔体1-1和上盖1-2、下盖1-3之间均通过螺钉固定安装。

TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔的上、下盖结构的设计，有利于腔体的加工与制作，有利于石英管套筒2的安装与固定。输出SMA法兰7的末端设置的小圆环所在的平面与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的上盖1-2和下盖1-3盖所在的平面平行，这种设计可以使圆柱形谐振腔内磁场通过输出SMA法兰将电磁波耦合出来。

腔体1-1、上盖1-2和下盖1-3都用合金铝加工而成。石英管套筒2是一根较粗的低损耗石英玻璃管。石英管3也用低损耗的石英玻璃材料制成，石英管3的外径应与石英管套筒2的内径配合加工。

腔体1-1、上盖1-2和下盖1-3的内表面采用精细打磨、抛光和镀银方法来减少表面电阻。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统作进一步说明，本实施方式中，石英管套筒2通过上盖1-2中心的通孔1-2-1插入腔体1-1，石英管套筒2的顶端固定在通孔1-2-1内，石英管套筒2的底端嵌固在下盖1-3中心的凹槽1-3-1内。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统作进一步说明，本实施方式中，TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的内径a与高度d满足a/d＝1.414～1.82。TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1的材料体积与腔体的体积比小于等于1‰。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统作进一步说明，本实施方式中，激励矩形直波导4的一端通过法兰用螺钉与终端波导负载5固定连接，激励矩形直波导4的另一端通过法兰用螺钉与输入波导同轴转换器6固定连接。

通过螺钉连接可以方便灵活地将TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔与外电路的连接方式进行转换，即可以将传输型连接方式转换成反应型连接方式。

采用所述一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统进行测量的方法包括以下步骤：

步骤一：定标管的配制。定标管的数量与样品管的数量一致，且一个定标管内标准溶液的盐度和一个样品管内待测盐溶液的盐度接近。采用已知介电常数的NaCl水溶液作为标准溶液，对谐振腔系统进行标定。本实施方式中，需要选用21种盐度的盐溶液。实验前，首先要分别计算21种盐度(S＝0，5，10，15，20，25，30，35，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150，160)的标准溶液的介电常数，并将标准溶液分别装入21个石英管中，作为定标管；

步骤二：待测样品管的配制。用蒸馏水和待测盐配制实验要求盐度的待测盐溶液，并分别装入石英管中，作为待测样品管；

步骤三：待测样品温度测量。为了减小大气温度与待测样品温度二者之间温度测量的差异，将一个高精度水银温度计插入一个盛有蒸馏水的石英管内对蒸馏水的物理温度进行测量，以此来代表定标管和待测样品管内溶液的物理温度；

步骤四：待测样品的升序测量。根据定标管和待测样品管内液体盐度相近的原则，将定标管和待测样品管交替地插入到TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔1内，进行盐度递增顺序的升序测量，即：空管→定标管(盐度S₁＜S₂)→待测样品管(盐度接近S₁)→定标管(盐度S₂＜S₃)→待测样品管(盐度接近S₂)→……→定标管(盐度S_n-1＜S_n)→待测样品管(盐度接近S_n-1)→定标管(盐度S_n)→待测样品管(盐度接近S_n)→空管；

步骤五：待测样品的降序测量。为了消除环境温度缓慢的定向变化带来的影响，在每组样品均测量完毕后，紧接着还需要采用溶液的盐度递减的顺序进行降序测量，即：空管→待测定标管(盐度S_n＞S_n-1)→样品管(盐度接近S_n)→待测定标管(盐度S_n-1＞S_n-2)→样品管(盐度接近S_n-1)→……→待测定标管(盐度S₂＞S₁)→样品管(盐度接近S₂)→待测定标管(盐度S₁)→样品管(盐度接近S₁)→空管；

步骤六：环境温度影响的修正。将步骤四的升序测量和步骤五的降序测量所得到的同一待测样品管和同一定标管的谐振曲线进行平均，以此作为消除温度影响的准确谐振曲线；

步骤七：谐振腔定标方程的确定。由于大损耗材料插入到谐振腔内，其腔内电场和磁场会发生显著的畸变，此时大损耗材料介电常数实部或虚部与谐振腔的频率改变和品质因数的改变同时相关。因此，本实施方式同时兼顾了谐振腔的频率和品质因数的改变，采用x＝Δf₀/ΔQ₀作为变量(Δf₀为频率偏移量，ΔQ₀为品质因数偏移量)对谐振腔进行拟合定标，获取谐振腔的定标方程：ε_r′＝f₁(x)和ε_r″＝f₂(x)；ε_r′和ε_r″分别为介电常数的实部和虚部，所述方程为其中A₁、A₂、A₃、A₄、t₁、t₂都是具体定标参数，且与所处的定标环境温度有关，根据由定标管得到的x值拟合上述方程。

矢量网络分析仪输出由dB功率衰减显示的谐振曲线，通过谐振曲线可以获得谐振频率f₀和半功率点(3dB点)的频率值，再通过半功率点(3dB点)的频率值和谐振频率获取谐振曲线的品质因数Q₀值，f0和Q₀再分别与空管时的谐振曲线的谐振频率和品质因数作差，最终获得Δf₀和ΔQ₀。

步骤八：待测盐溶液介电常数的计算。将测量待测样品管时所得到的x值分别代入到谐振腔定标方程ε_r′＝f₁(x)和ε_r″＝f₂(x)中进行计算，得到与定标方程处于同一温度下的待测盐溶液的介电常数值。

通过上述具体的实施方式，通过中心轴线处带有石英管套筒和石英管的TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔的设计，并采用相应的定标性测量方法，采用频率偏移量除以品质因数偏移量的商作为谐振腔定标方程的自变量，实现了大损耗材料介电常数的测量。该谐振腔系统，不仅可以测量较大损耗(相应tanδ＜1)的材料，而且还可以测量大损耗(相应10＞tanδ≥1)材料的介电常数，从而拓展了微扰法测量介电常数的材料范围。实现了谐振腔微扰的大损耗材料介电常数的快速(单个样品测量时间为20秒)而准确(介电常数实部的测量精度为0.41％，虚部的测量精度为2.9％)的测量。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (6)

1.一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，其特征在于，包括TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)、石英管套筒(2)、石英管(3)、激励矩形直波导(4)、终端波导负载(5)、输入波导同轴转换器(6)、输出SMA法兰(7)和固定支架(8)；

石英管套筒(2)插入TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)的中央，石英管(3)紧密套在石英管套筒(2)内，激励矩形直波导(4)的窄壁与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)通过固定支架(8)固定连接，激励矩形直波导(4)与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)之间设有2个中心对称的耦合孔(9)，激励矩形直波导(4)通过耦合孔(9)向TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)耦合能量，激励矩形直波导(4)的一端与终端波导负载(5)固定连接，激励矩形直波导(4)的另一端与输入波导同轴转换器(6)固定连接，输出SMA法兰(7)固定在TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)侧壁的通孔处，输出SMA法兰(7)的腔内末端设置有小圆环(7-1)，小圆环(7-1)与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)的横截面平行，用于与TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)内部的磁场耦合；

输出SMA法兰(7)与矢量网络分析仪的输入端连接，输入波导同轴转换器(6)的同轴输入端(6-1)与矢量网络分析仪的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，其特征在于，所述TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)包括腔体(1-1)、上盖(1-2)和下盖(1-3)；

腔体(1-1)和上盖(1-2)、下盖(1-3)之间均通过螺钉固定安装。

3.根据权利要求2所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，其特征在于，所述石英管套筒(2)通过上盖(1-2)中心的通孔(1-2-1)插入腔体(1-1)，石英管套筒(2)的顶端固定在通孔(1-2-1)内，石英管套筒(2)的底端嵌固在下盖(1-3)中心的凹槽(1-3-1)内。

4.根据权利要求1所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，其特征在于，所述TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)的内径a与高度d满足a/d＝1.414～1.82。

5.根据权利要求1所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，其特征在于，所述TE₀₁₁模式振荡的圆柱形谐振腔(1)的材料体积与腔体的体积比小于等于1‰。

6.根据权利要求1所述的一种测量大损耗材料介电常数的谐振腔系统，其特征在于，所述激励矩形直波导(4)的一端通过法兰用螺钉与终端波导负载(5)固定连接，激励矩形直波导(4)的另一端通过法兰用螺钉与输入波导同轴转换器(6)固定连接。