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1.8~4.3GHz。腔体和内导体均为HPb—59黄铜制作。表面涂复7μm银层。特性阻抗65.8Ω。
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ε'和损耗角正切tanδ。
内导体腔体弹簧耦合装置插孔抗流环端盖
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1.8~4.3GHz，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
f0。然后，读出
f0两边半功率点（3dB处）所对应
的频率f1和f2.则腔体的有载品质因数为：
QL?f0f1?f2 ………………………………………………………… ⑴
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式计算端电容C:
C??2?f0??ctg??……………………………………⑵ 2?f0zcv??1f0f0,按下
其中:C为端电容,单位F(法拉).
3*108为谐振频率,单位Hz(赫兹). v为光速:
10米/秒或3*10厘米/秒. ?为腔长:对应内导体开路端至短路点的距离.可用
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:
f0??2P?1?v4?…………………………………………⑶
其中:v和?如前所述.P =1、２、３……。 3、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:
QL0?f0f1?f2 ………………………………………………⑷
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半功率点频率
f1?fS和
和
f2?。按下式计算介质加载腔的有载品质因数
fsf1??f2?QLS?……………………………………………………⑸
然后，按下面的方程组，计算??和???
fS?f0f0?1???Q?L??2????1?VSV0……………………………………………⑹
?V??4???S?V0?……………………………………………………⑺
其中，
?1???Q?L?11????QQLSL0?………………………………………………⑻
式中QL0为空腔的有载品质因数，QLS为放入样品后的有载品质因数，V0 为谐振腔体积，VS为样品环体积。要求VS远远小于V0。（注1）
对四分之一波长开路腔，
V0??4?D2?d2??………………………………………………⑼
其中，D为腔体内径，d为内导体直径，?为腔长
VS??4?D2S?d2?t………………………………………………⑽
其中，
DS为样品环的外径，t为样品厚度。不难推出
???1??D22?d2?2t?f0?fs?f02DS?d????………………………………⑾
22??''?f'2?f1'???f2?fs?D2?d?t4f0?D2S?d??…………………………⑿
介质损耗角正切为：
tan???????…………………………………………………………⒀
注1：微扰理论的基本假设：①介质样品放入后引起谐振频率的相对变化很小。②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。