復(fù)雜電磁媒質(zhì)介電系數(shù)測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著人們對(duì)電磁波認(rèn)識(shí)的深入，微波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了巨大的進(jìn)展。但是，由于微波對(duì)物質(zhì)的作用，特別是對(duì)復(fù)雜電磁媒質(zhì)的作用機(jī)理還沒(méi)有被真正認(rèn)識(shí)，這成為制約微波更廣泛應(yīng)用的瓶頸。 由于介電系數(shù)表征了介質(zhì)對(duì)微波的宏觀響應(yīng)特性，因而成為微波能應(yīng)用中不可或缺的知識(shí)。 自然界中物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的多元化，如生物組織，化學(xué)反應(yīng)體系，大多數(shù)是由多種成分結(jié)構(gòu)物質(zhì)組成的復(fù)雜電磁媒質(zhì)。研究復(fù)雜媒質(zhì)的介電系數(shù)以及與之相適

2、應(yīng)的測(cè)量方法是微波應(yīng)用研究中基礎(chǔ)的研究工作。本文就從簡(jiǎn)單電磁媒質(zhì)到復(fù)雜電磁媒質(zhì)對(duì)介電系數(shù)及相適應(yīng)的測(cè)量方法進(jìn)行了研究與探討，這些工作將對(duì)微波能應(yīng)用研究提供幫助。 論文的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)提出了解決終端短路法測(cè)量介電系數(shù)中遇到的病態(tài)問(wèn)題的新方法。在終端短路法測(cè)量時(shí)，需要解由反射系數(shù)與介電系數(shù)組成的超越方程，由于一次測(cè)量的信息量不足，方程常常是存在多解的病態(tài)方程。本文利用窄帶內(nèi)介質(zhì)介電系數(shù)變化較小的特性，提出了在

3、窄頻帶內(nèi)，分別將方程多個(gè)解的反射系數(shù)計(jì)算曲線與測(cè)量曲線比較，以此得到介電系數(shù)的唯一解的方法。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析了終端開(kāi)路同軸線法測(cè)量的誤差范圍，從而證明終端開(kāi)路同軸線法測(cè)量小試樣的可行性。 (2)設(shè)計(jì)了一個(gè)具有開(kāi)槽結(jié)構(gòu)同軸線的新測(cè)量探頭，在已有遺傳算法與數(shù)值仿真理論基礎(chǔ)上，提出了測(cè)量介質(zhì)的介電系數(shù)的新方法，進(jìn)行了正問(wèn)題的數(shù)值仿真和逆問(wèn)題的計(jì)算，確定了該方法的可行性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種方法不需要相位信息，不需要標(biāo)準(zhǔn)

4、介質(zhì)校準(zhǔn)，可用于寬帶、中大功率工作狀態(tài)下的測(cè)量。 (3)通過(guò)實(shí)際測(cè)量常用有機(jī)試劑以及有機(jī)二元混合體系在不同體積比下的介電系數(shù)，首次發(fā)現(xiàn)了在二元混合體系中，當(dāng)混合介質(zhì)實(shí)部(或虛部)接近，而實(shí)部(或虛部)相差較大時(shí)，隨著混合比例的變化，混合體系的介電系數(shù)實(shí)部(或虛部)將出現(xiàn)大于其中任一組份介質(zhì)介電系數(shù)實(shí)部(或虛部)的峰值。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Bruggeman公式的理論計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示對(duì)稱(chēng)的Bruggeman公式在微波頻段，預(yù)測(cè)了與

5、測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)相一致的峰值。對(duì)稱(chēng)Bruggeman理論可以解釋這種與傳統(tǒng)觀念相悖的現(xiàn)象。 (4)根據(jù)分子三維模型的尺寸，利用經(jīng)典球形和橢球形混合物理論公式計(jì)算混合體系介電系數(shù)隨體積比變化的趨勢(shì)，將計(jì)算值與測(cè)量值，特別是出現(xiàn)峰值的特性進(jìn)行比較。確定了傳統(tǒng)統(tǒng)一混合理論在微波頻率下的適用性：對(duì)于統(tǒng)一的混合理論模型，在微波頻率，可以預(yù)測(cè)液態(tài)分子混合時(shí)出現(xiàn)峰值的特性，但是預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量值有一定的差異。對(duì)稱(chēng)的Bruggeman理論在分析小分子

6、體系時(shí)差異小。雖然Maxwell Garnett及Coherent potencial公式是非對(duì)稱(chēng)的，但是對(duì)某些長(zhǎng)分子混合體系出現(xiàn)峰值的預(yù)測(cè)，卻有比較理想的效果。 (5)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)是一個(gè)非平衡系統(tǒng)，它不是各種化合物的簡(jiǎn)單混合。到目前為止，有關(guān)化學(xué)反應(yīng)體系介電系數(shù)隨時(shí)間變化的理論除黃卡瑪?shù)忍岢鐾馍僖?jiàn)報(bào)道。本文以液相化學(xué)反應(yīng)體系為對(duì)象，基于反應(yīng)溶液中單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)隨溫度變化的情況對(duì)已有的化學(xué)反應(yīng)介電系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn)。根