基于微帶諧振結(jié)構(gòu)的新型液體介電常數(shù)測量探頭研究.pdf

1、物質(zhì)的介電常數(shù)作為麥克斯韋方程組的本構(gòu)參數(shù)之一，具有重要的物理意義。介電常數(shù)描述了介質(zhì)的電極化特性，是電磁學(xué)應(yīng)用中不可缺少的知識，因而研究介電常數(shù)的測量方法成為了基礎(chǔ)而關(guān)鍵的問題。 微帶線由于具有成本低、體積小、重量輕、易于共形等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。在介電常數(shù)測量領(lǐng)域，利用微帶線已經(jīng)設(shè)計了多種測量結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)大致可分為諧振型和非諧振型兩類。當(dāng)介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)在一定范圍內(nèi)隨頻率變化不敏感時，相對于非諧振結(jié)構(gòu)而言，諧振結(jié)構(gòu)可以達(dá)到

2、相對更高的測量精度。本文針對微帶諧振結(jié)構(gòu)在測量中、高損耗液體的介電常數(shù)上存在的不足，展開相關(guān)研究得到了一些結(jié)果，希望可以對該領(lǐng)域的研究有所幫助。 本文改進(jìn)了半波長、終端開路的微帶線諧振器，設(shè)計了基于交指結(jié)構(gòu)的耦合電容，并采用Rogers公司出品的RT/Duroid 5880材料進(jìn)行加工制作。在微帶線基板一側(cè)的上方3mm處覆蓋接地的金屬蓋，避免微帶諧振器與待測樣品直接接觸；在接地板上腐蝕出一條與諧振器等長，位于諧振器正下方中心位置

3、的輻射縫，待測樣品通過輻射縫影響諧振器的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明：即使將該結(jié)構(gòu)置于中、高損耗的待測液體中用于測量介電常數(shù)時，也可以正常諧振。 分析了該測量探頭的等效電路模型，得到了電路描述方程。研究了基于加權(quán)最小二乘曲線擬合技術(shù)的品質(zhì)因數(shù)提取算法，并采用Fortran語言編程實(shí)現(xiàn)。該方法利用測量得到的反射系數(shù)，計算出探頭置于待測樣品中的諧振頻率、有載品質(zhì)因數(shù)、空載品質(zhì)因數(shù)及耦合系數(shù)。研究表明：基于加權(quán)最小二乘法的品質(zhì)因數(shù)

4、提取算法計算精度高，可以自動消除測量噪聲，加權(quán)函數(shù)能夠提取出測量數(shù)據(jù)中變化最敏感的部分。研究了傳輸線特征參數(shù)計算中使用的二維時域有限差分法2D-FDTD，并采用該方法分析了設(shè)計的測量探頭，用Fortran語言編程實(shí)現(xiàn)。從理論上解釋了待測樣品的介電常數(shù)和電導(dǎo)率對探頭的諧振頻率和空載品質(zhì)因數(shù)影響的原因。研究表明：2D-FDTD法具有計算速度快、內(nèi)存需求低的優(yōu)點(diǎn)；探頭的諧振頻率隨樣品介電常數(shù)的升高而降低，隨電導(dǎo)率的升高而降低；探頭的空載品質(zhì)因

5、數(shù)隨樣品介電常數(shù)的升高而升高，隨電導(dǎo)率的升高而降低。 結(jié)合加權(quán)最小二乘品質(zhì)因數(shù)提取算法和2D-FDTD法，提出了校準(zhǔn)方法和基于三次樣條插值的迭代算法。通過測量探頭置于待測樣品中的反射系數(shù)，計算樣品的復(fù)介電常數(shù)。對甲醇/乙醇混合溶液的等效復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行了測量，驗(yàn)證了探頭和算法的有效性。 當(dāng)待測液體的復(fù)介電常數(shù)在一定范圍內(nèi)隨頻率變化不敏感時，本文設(shè)計的探頭及提出的相關(guān)算法在對中、高損耗液體的復(fù)介電常數(shù)的在線測量上具有一定的優(yōu)