实验三 利用谐振腔及微扰法测试介质参数试验一、预习要求1、什么是微波谐振腔？2、什么是微扰法？3、了解测试系统的基本组成二、实验目的1、认识谐振腔，理解耦合的原理和作用2、通过了解介质微扰的特性3、掌握介质参数测试原理三、实验原理本装置的基本形式是四分之一波长开路同轴传输线谐振腔（以后简称开路腔） 。通过加装短路块，可构成电容加载的同轴传输线谐振腔（以后简称加载腔）。与标量网络分析仪配合，可做谐振腔各项参数的测量，也可用作介质参数测量的传感器。本装置由腔体、内导体、耦合元件及传动、读数机构组成。通过耦合元件可在谐振腔中激励（或耦合）同轴传输线中的 TEM 模。腔体机构图如图 1，其内径为 24mm、内导体直径为 8mm、内导体自短路面伸入腔体最大长度 42mm、调节范围 25mm。对开路腔而言，其谐振频率范围为 1.84.3GHz。腔体和内导体均为 HPb59 黄铜制作。表面涂复 7m 银层。特性阻抗 65.8。本装置配备有耦合环和耦合探针各两件。学生可根据兴趣组成不同耦合方式的反射型或传输型谐振腔。通过螺旋测微器，可精确调节和显示内导体的位置，并可将其固定。在开路腔、内导体开路端内外导体间，装入小尺寸的介质样品环。读出加入样品前后，谐振频率和有载品质因数的变化。根据微扰原理，可计算样品的介电常数实部 和损耗角正切 tan。弹簧耦合装置插孔 抗流环 端盖腔体内导体图 1 谐振腔结构示意图四、实验内容与步骤1、谐振腔的激励与耦合；谐振腔由其耦合方式不同可以分为反射型和传输型两种类型，分别介绍如下：1.1反射型谐振腔：将耦合环和耦合探针插入谐振腔任一耦合孔中，将其与标量网络分析仪的定向器件（驻波比桥或定向耦合器）测试端相连。扫描范围设定为1.84.3GHz，调节耦合环的插入深度、方向。可在显示屏上观测到谐振腔反射的频率响应曲线（反射谐振曲线） 。继续调节耦合环的插入深度和方向，使在感兴趣的频率上接近匹配状态。 （反射损耗dB 数最大或驻波比最小） 。则表明，谐振腔为临界耦合。在调节过程中，可以发现，临界耦合时，谐振峰最尖锐，有载 Q 值最高，其频率分辨率最高。过耦合或欠耦合则不佳。1.2 传输型谐振腔：将上述谐振腔耦合端与标量网络分析仪信号输出端相连。在谐振腔另一耦合孔中也插入耦合环或耦合探针。并经检波器接至标量网络分析仪显示通道。调节输入和输出耦合环的插入深度和方向，可在显示屏上观测到谐振腔传输的频率响应曲线（传输谐振曲线） 。在感兴趣的频率上，将衰减调至最小（尽量接近 0dB） ，则表明谐振腔为临界耦合。在调节过程中，可以发现，临界耦合时，谐振峰最尖锐，有载 Q 值最高，其频率分辨率最高。过耦合或欠耦合则不佳。2、谐振频率、有载品质因数（Q 值） 、端电容及腔体多谐性的测量2.1 谐振频率和有载 Q 值的测量；将上述传输型开路腔接至测量系统中，找到需要测量的频率点。适当减小仪器的扫频范围，以便能清晰地读出谐振曲线衰减最小点（Amin ）及其对应的频率值。此频率既是谐振频率 。然后，读出 两边半功率点（3dB 处）所对0f0f应的频率 和 .则腔体的有载品质因数为：1f2 210fQL由于耦合机构、外界负载等影响，有载 Q 值不同于空载 Q 值。2.2 加载腔端电容 C 的测量打开开路腔的端盖,放入短路块,再用端盖压紧.旋转螺旋测微器使内导体开路端与短路块接触.(不要用力过猛,以免损坏仪器精度).记下此时测微器刻度.反方向旋转测微器使内导体开路端与短路块离开要求的距离 t.并顺时针方向旋转读数窗上方的黑色旋钮,将其固定.在网络分析仪显示屏上读得谐振频率 ,按下0f式计算端电容 C:vfctgzfC0021其中:C 为端电容,单位 F(法拉). 为谐振频率,单位 Hz(赫兹). 为光速: 0f v米/秒或 厘米/秒. 为腔长:对应内导体开路端至短路点的距离.可用810*310*3卡尺测量。注意:公式中 的单位应与光速中长度单位一致.三角函数按弧度 (RAD)计算.旋转测微器读数套筒前，必须将锁定旋钮松开，否则会造成仪表损坏。对同样的频率调节范围，加载腔的长度明显的小于开路腔长度，因此，体积可以做得较小2.3 多谐性的测量将上述传输型或反射型开路腔接入测量系统中.将仪器的扫频范围最大限度调宽.可在显示屏上发现多个谐振点.记下各谐振点的频率值.其谐振频率应符合下式:4120vPf其中: 和 如前所述. =1、。v3、介质参数测量用微扰法测量小尺寸样品的介质参数。将四分之一波长开路腔接入测量系统中，通过调节测微器在要求的频率点谐振。顺时针方向旋转测微器读数窗上方黑色旋钮，将其固定。由下式计算出空腔的有载品质因数: 2100fQL将被测介质环放到工具棒的一端相应的圆形凹槽中。打开开路腔端盖，沿轴向将装有介质环的工具棒推入，直至与内导体顶紧。将工具棒取出，确认介质环已置于内导体与腔壁间。 （距内导体开路端内约 1mm） 。读出此时的谐振频率 和半功率点频率 和 。按下式计算介质加载腔的有载品质因数Sf1f221fQsLS然后，按下面的方程组，计算 和00Vf SS041VQSL其中，LSL110式中 为空腔的有载品质因数， 为放入样品后的有载品质因数， 0LQQ0V为谐振腔体积， 为样品环体积。要求 远远小于 。 （注 1）SVSV0对四分之一波长开路腔，204dD其中，D 为腔体内径，d 为内导体直径， 为腔长tVSS2其中， 为样品环的外径，t 为样品厚度。不难推出 021fdDtsS2012 4dtff Ss介质损耗角正切为：tan注 1：微扰理论的基本假设：介质样品放入后引起谐振频率的相对变化很小。除在介质样品附近，样品的放入引起场结构的变化很小。因此，只适用于小尺寸的样品，其结果是近似的。其准确度视具体情况而不同，越接近假设条件，准确度越高。五、注意事项1、在调节耦合的时候注意不要用力过猛，小心损坏耦合机构。2、在加介质的时候一定不要用手去触摸腔体内表面，否则将影响内导体的电器性能，导致腔体 Q 值下降，影响测试准确度，试验完成取下介质放回配件箱中。3、在进行谐振频率调节的时候，速度不要过快，否则将损坏位置读数装置，导致仪器设备损坏。4、连接电缆到耦合探针或耦合环的时候不要将接头拧得太紧，否则将导致耦合探针或耦合环及仪器接头得损5、坏。6、每组的试验装置的配件在使用完毕时候一定要放回原位。六、报告要求1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；2、完成数据运算及整理；3、对实验中的现象分析讨论。