薄板型介質(zhì)材料復介電常數的無(wú)損測量

　　采用帶法蘭結構的TE01n圓柱諧振腔，用無(wú)損檢測的方法測量薄板型微波介質(zhì)材料的復介電常數。利用軸向模式匹配法對諧振腔內的電磁場(chǎng)進(jìn)行了求解，給出了相對介電常數和損耗角正切的計算公式，并利用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀對幾種常用微波介質(zhì)材料進(jìn)行了測量，其結果表明: 該測量方法對相對介電常數的測量誤差不超過(guò)1%，而對損耗角正切的測量誤差不超過(guò)10%。該方法還具備一腔多模的測試能力，測量頻率可調，可用于介質(zhì)材料頻率特性的測量。

　　在微波波段測量介質(zhì)材料復介電常數的方法主要有兩大類(lèi)，即: 傳輸/反射法和諧振法。其中大部分的諧振法和傳輸/反射法均需備特定形狀的樣品，屬于有損測量。自由空間法是傳輸/反射法中的一種，它是一種無(wú)損測量方法，但其需要代價(jià)高昂的能實(shí)現高斯微波束聚焦的天線(xiàn)測量系統，另外，其測量精度低，一般只適用于具有中高損耗介質(zhì)材料的測量。對于低損耗介質(zhì)材料的無(wú)損測量，通常采用的測試結構為分立式諧振腔和分立式介質(zhì)柱諧振器。在這兩種方法中，待測樣品均被夾持于上下對稱(chēng)的兩諧振腔之間，諧振腔的對準是影響系統測量精度的一個(gè)重要因素。為保證測量的精度，一般須增加額外的定位裝置以調整上下腔體的同軸關(guān)系，這增加了系統的復雜性和測試的難度。為避免該問(wèn)題，同時(shí)為實(shí)現對低損耗不可加工介質(zhì)材料的無(wú)損測量，本文在分立式諧振腔的基礎上，提出并設計了一種可用于測量具有一定厚度平板類(lèi)介質(zhì)樣品的改進(jìn)型TE01n諧振腔。

1、模型與理論分析

　　圖1 為用于介質(zhì)材料無(wú)損測量圓柱諧振腔的結構示意圖。相對介電常數為εd、損耗角正切為tanδ 的介質(zhì)樣品夾持于金屬短路板和帶法蘭結構金屬圓波導之間。諧振腔的半徑為R，長(cháng)度為L(cháng)。當介質(zhì)樣品的厚度h 小于樣品內傳播波長(cháng)λd的一半時(shí)，金屬短路板和圓波導法蘭之間的電磁場(chǎng)將處于截止狀態(tài)。此時(shí)，只要金屬法蘭外半徑R1足夠大，電磁場(chǎng)將難以泄露，諧振腔內將建立起微波諧振模式，邊界r = R1也可假設為理想電壁面。由此，可采用軸向模式匹配法對諧振腔內的電磁場(chǎng)進(jìn)行嚴格求解。根據系統軸向不連續性，諧振腔可劃分為如圖1所示的區域Ⅰ和區域Ⅱ，區域Ⅰ為空氣區( | r |≤R，0≤z≤L) ，而區域Ⅱ為介質(zhì)區( | r |≤R1，-h≤z≤0) 。

圖1 介質(zhì)材料介電常數無(wú)損測量原理圖

結論

　　為實(shí)現對薄板型固體電介質(zhì)材料復介電常數的無(wú)損測量，本文在傳統TE01n圓柱諧振腔的基礎上，提出了一種帶法蘭結構的改進(jìn)型TE01n圓柱諧振腔。利用軸向模式匹配法對諧振腔內的電磁場(chǎng)進(jìn)行了求解，給出了相對介電常數和損耗角正切的計算公式，最后，針對PTFE，HDPE 和陶瓷材料的復介電常數進(jìn)行了測量，并用介質(zhì)柱諧振器進(jìn)行了驗證，結果表明: 該方法對相對介電常數的測量具有很高精度，其相對誤差不超過(guò)1%;而對于損耗角正切，其測量誤差可控制在10%以?xún)�。該方法有效地避免了分立式諧振器或諧振腔結構上的對準問(wèn)題，其測量簡(jiǎn)便行。同時(shí)，它具備一腔多模的測試能力，諧振頻率可調。它的應用對于高功率微波領(lǐng)域介質(zhì)材料的測試具有實(shí)際意義。