實(shí)驗(yàn)三利用諧振腔及微擾法測(cè)試介質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)三 利用諧振腔及微擾法測(cè)試介質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)一、預(yù)習(xí)要求1、什么是微波諧振腔？2、什么是微擾法？3、了解測(cè)試系統(tǒng)的基本組成二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、認(rèn)識(shí)諧振腔，理解耦合的原理和作用2、通過(guò)了解介質(zhì)微擾的特性3、掌握介質(zhì)參數(shù)測(cè)試原理三、實(shí)驗(yàn)原理本裝置的基本形式是四分之一波長(zhǎng)開路同軸傳輸線諧振腔（以后簡(jiǎn)稱開路腔）。通過(guò)加裝短路塊，可構(gòu)成電容加載的同軸傳輸線諧振腔（以后簡(jiǎn)稱加載腔）。與標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀配合，可做諧振腔各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，也可用作介質(zhì)參數(shù)測(cè)量的傳感器。本裝置由腔體、內(nèi)導(dǎo)體、耦合元件及傳動(dòng)、讀數(shù)機(jī)構(gòu)組成。通過(guò)耦合元件可在諧振腔中激勵(lì)（或耦合）同軸傳輸線中的tem模。腔體機(jī)構(gòu)圖如圖1，其內(nèi)徑為24mm、內(nèi)導(dǎo)

2、體直徑為8mm、內(nèi)導(dǎo)體自短路面伸入腔體最大長(zhǎng)度42mm、調(diào)節(jié)范圍25mm。對(duì)開路腔而言，其諧振頻率范圍為1.84.3ghz。腔體和內(nèi)導(dǎo)體均為hpb59黃銅制作。表面涂復(fù)7m銀層。特性阻抗65.8。本裝置配備有耦合環(huán)和耦合探針各兩件。學(xué)生可根據(jù)興趣組成不同耦合方式的反射型或傳輸型諧振腔。通過(guò)螺旋測(cè)微器，可精確調(diào)節(jié)和顯示內(nèi)導(dǎo)體的位置，并可將其固定。在開路腔、內(nèi)導(dǎo)體開路端內(nèi)外導(dǎo)體間，裝入小尺寸的介質(zhì)樣品環(huán)。讀出加入樣品前后，諧振頻率和有載品質(zhì)因數(shù)的變化。根據(jù)微擾原理，可計(jì)算樣品的介電常數(shù)實(shí)部'和損耗角正切tan。圖 1諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、諧振腔的激勵(lì)與耦合；諧振腔由其耦合方

3、式不同可以分為反射型和傳輸型兩種類型，分別介紹如下：1.1反射型諧振腔：將耦合環(huán)和耦合探針插入諧振腔任一耦合孔中，將其與標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的定向器件（駐波比橋或定向耦合器）測(cè)試端相連。掃描范圍設(shè)定為1.84.3ghz，調(diào)節(jié)耦合環(huán)的插入深度、方向。可在顯示屏上觀測(cè)到諧振腔反射的頻率響應(yīng)曲線（反射諧振曲線）。繼續(xù)調(diào)節(jié)耦合環(huán)的插入深度和方向，使在感興趣的頻率上接近匹配狀態(tài)。（反射損耗db數(shù)最大或駐波比最?。t表明，諧振腔為臨界耦合。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)，臨界耦合時(shí)，諧振峰最尖銳，有載q值最高，其頻率分辨率最高。過(guò)耦合或欠耦合則不佳。1.2傳輸型諧振腔：將上述諧振腔耦合端與標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號(hào)輸出端相連

4、。在諧振腔另一耦合孔中也插入耦合環(huán)或耦合探針。并經(jīng)檢波器接至標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示通道。調(diào)節(jié)輸入和輸出耦合環(huán)的插入深度和方向，可在顯示屏上觀測(cè)到諧振腔傳輸?shù)念l率響應(yīng)曲線（傳輸諧振曲線）。在感興趣的頻率上，將衰減調(diào)至最?。ūM量接近0db），則表明諧振腔為臨界耦合。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)，臨界耦合時(shí)，諧振峰最尖銳，有載q值最高，其頻率分辨率最高。過(guò)耦合或欠耦合則不佳。2、諧振頻率、有載品質(zhì)因數(shù)（q值）、端電容及腔體多諧性的測(cè)量2.1諧振頻率和有載q值的測(cè)量；將上述傳輸型開路腔接至測(cè)量系統(tǒng)中，找到需要測(cè)量的頻率點(diǎn)。適當(dāng)減小儀器的掃頻范圍，以便能清晰地讀出諧振曲線衰減最小點(diǎn)（amin）及其對(duì)應(yīng)的頻率值。此

5、頻率既是諧振頻率。然后，讀出兩邊半功率點(diǎn)（3db處）所對(duì)應(yīng)的頻率和.則腔體的有載品質(zhì)因數(shù)為： 由于耦合機(jī)構(gòu)、外界負(fù)載等影響，有載q值不同于空載q值。2.2 加載腔端電容c的測(cè)量打開開路腔的端蓋,放入短路塊,再用端蓋壓緊.旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器使內(nèi)導(dǎo)體開路端與短路塊接觸.(不要用力過(guò)猛,以免損壞儀器精度).記下此時(shí)測(cè)微器刻度.反方向旋轉(zhuǎn)測(cè)微器使內(nèi)導(dǎo)體開路端與短路塊離開要求的距離t.并順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)讀數(shù)窗上方的黑色旋鈕,將其固定.在網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示屏上讀得諧振頻率,按下式計(jì)算端電容c:其中:c為端電容,單位f(法拉). 為諧振頻率,單位hz(赫茲). 為光速: 米/秒或厘米/秒. 為腔長(zhǎng):對(duì)應(yīng)內(nèi)導(dǎo)體開路端至

6、短路點(diǎn)的距離.可用卡尺測(cè)量。注意:公式中的單位應(yīng)與光速中長(zhǎng)度單位一致.三角函數(shù)按弧度(rad)計(jì)算.旋轉(zhuǎn)測(cè)微器讀數(shù)套筒前，必須將鎖定旋鈕松開，否則會(huì)造成儀表?yè)p壞。對(duì)同樣的頻率調(diào)節(jié)范圍，加載腔的長(zhǎng)度明顯的小于開路腔長(zhǎng)度，因此，體積可以做得較小2.3 多諧性的測(cè)量將上述傳輸型或反射型開路腔接入測(cè)量系統(tǒng)中.將儀器的掃頻范圍最大限度調(diào)寬.可在顯示屏上發(fā)現(xiàn)多個(gè)諧振點(diǎn).記下各諧振點(diǎn)的頻率值.其諧振頻率應(yīng)符合下式:其中:和如前所述. =1、。3、介質(zhì)參數(shù)測(cè)量用微擾法測(cè)量小尺寸樣品的介質(zhì)參數(shù)。將四分之一波長(zhǎng)開路腔接入測(cè)量系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)微器在要求的頻率點(diǎn)諧振。順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)測(cè)微器讀數(shù)窗上方黑色旋鈕，將其固定

7、。由下式計(jì)算出空腔的有載品質(zhì)因數(shù): 將被測(cè)介質(zhì)環(huán)放到工具棒的一端相應(yīng)的圓形凹槽中。打開開路腔端蓋，沿軸向?qū)⒀b有介質(zhì)環(huán)的工具棒推入，直至與內(nèi)導(dǎo)體頂緊。將工具棒取出，確認(rèn)介質(zhì)環(huán)已置于內(nèi)導(dǎo)體與腔壁間。（距內(nèi)導(dǎo)體開路端內(nèi)約1mm）。讀出此時(shí)的諧振頻率和半功率點(diǎn)頻率和。按下式計(jì)算介質(zhì)加載腔的有載品質(zhì)因數(shù)然后，按下面的方程組，計(jì)算和其中，式中為空腔的有載品質(zhì)因數(shù)，為放入樣品后的有載品質(zhì)因數(shù)， 為諧振腔體積，為樣品環(huán)體積。要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于。（注1）對(duì)四分之一波長(zhǎng)開路腔，其中，d為腔體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體直徑，為腔長(zhǎng)其中，為樣品環(huán)的外徑，t為樣品厚度。不難推出 介質(zhì)損耗角正切為： 注1：微擾理論的基本假設(shè)：介質(zhì)樣品放入后引起諧振頻率的相對(duì)變化很小。除在介質(zhì)樣品附近，樣品的放入引起場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化很小。因此，只適用于小尺寸的樣品，其結(jié)果是近似的。其準(zhǔn)確度視具體情況而不同，越接近假設(shè)條件，準(zhǔn)確度越高。五、注意事項(xiàng)1、 在調(diào)節(jié)耦合的時(shí)候注意不要用力過(guò)猛，小心損壞耦合機(jī)構(gòu)。2、 在加介質(zhì)的時(shí)候一定不要用手去觸摸腔體內(nèi)表面，否則將影響內(nèi)導(dǎo)體的電器性能，導(dǎo)致腔體q值下降，影響測(cè)試準(zhǔn)確度，試驗(yàn)完成取下介質(zhì)放回配件箱中。3、 在進(jìn)行諧振頻率調(diào)節(jié)的時(shí)候，速度不要過(guò)快，否則將損壞位置讀數(shù)裝置，導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞。4、 連接電纜到耦合探針或耦合環(huán)