專利名稱：具有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的橫電波模諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電介質(zhì)測量的微波諧振腔帶有調(diào)諧活塞的橫電波模、高Q微波諧振腔是由金屬圓筒(或螺旋管)、耦合器和調(diào)諧活塞組成。它已廣泛地應(yīng)用于電介質(zhì)測量，即測量材料的相對復(fù)介電常數(shù)εr＝ε′r(1-jtanδ)，這已被公認為是最可靠和最精密的電介質(zhì)測量方法之一，但卻未商品化，其主要原因在于1.用調(diào)諧活塞的微小變化來測量半功率點帶寬去求取有載Q因子，既使測微頭精度到1μm，也達不到測量材料tanδ的要求，特別對于低損耗材料。
2.各種具有較高精確度的測量Q因子系統(tǒng)，需要繁多的、高精度的儀器，與此有關(guān)的技術(shù)也相當(dāng)復(fù)雜。
3.目前最廣泛應(yīng)用的變頻率法測量半功率點帶寬來計算Q因子的方法，當(dāng)Q因子降得較低時，盡管信號源有恒功率輸出，但由于在兩個半功率點之間的頻率變化，使輸入和輸出耦合量發(fā)生變化，對測量半功率點帶寬帶來大的誤差，且隨腔體有載Q因子的降低而增大。
本發(fā)明是提供一種具有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的橫電波模諧振腔，其目的是能方便測量極小的諧振頻率變化和極狹的半功率點頻帶寬度，因而在不降低高Q測量精度下大大簡化測試系統(tǒng)并能測出高損耗材料樣品的介電常數(shù)。在電介質(zhì)測量、微波信號源的穩(wěn)頻、測量Q因子、精密波長計等方面能得到廣泛應(yīng)用。
下面結(jié)合附圖和實施例作詳細說明。


圖1是具有徑向引入失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的橫電波模諧振腔示意圖。圖2是具有軸向引入失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的TE01n模諧振腔示意圖。圖3是具有徑向引入失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的、并耦合有損耗模波導(dǎo)的TE01n模諧振腔示意圖。圖4是電介質(zhì)測量裝置方框圖。圖5是穩(wěn)頻測Q裝置方框圖。
本發(fā)明在原有的由金屬圓筒(或螺旋管)〔1〕、耦合器〔2〕和調(diào)諧活塞〔3〕，或還具有損耗模波導(dǎo)〔5〕構(gòu)成的TE01n模諧振腔的金屬圓筒(或螺旋管)上增設(shè)失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕。該機構(gòu)是在金屬圓筒(或螺旋管)腔體固定端面到二分之一波導(dǎo)波長之間徑向引入極低損耗的細介質(zhì)桿，該介質(zhì)桿用測微頭推動，以二分之一腔體半徑為中心前后移動(圖1);或者在固定端面半徑的方向上，軸向引入低損耗的細介質(zhì)桿，該介質(zhì)桿用測微頭推動，以四分之一波導(dǎo)波長為中心上下移動(圖2)。
上述兩種介質(zhì)桿引入情況可視結(jié)構(gòu)上的方便，任意選擇使用。所不同的是在圖1的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)工作頻率改變時，失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕的擴展比將有所變化;而在圖2的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)工作頻率改變時，失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕的中心點將有所變化。介質(zhì)桿材料可用聚四氟乙烯、微泡沫或致密的石英玻璃、微泡沫低損耗高頻陶瓷或其它極低損耗、低介電常數(shù)的材料。介質(zhì)桿直徑在2～4mm之間選擇。
這個失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕實際上起著調(diào)諧活塞〔3〕的微調(diào)作用。當(dāng)應(yīng)用于諧振曲線的半功率點測量時，起著擴展半功率點帶寬的作用。用選擇〔a〕圖1、2中介質(zhì)桿引入的軸向和徑向具體位置;
〔b〕介質(zhì)桿的介電常數(shù);
〔c〕介質(zhì)桿的直徑;
來達到所希望的擴展比。實驗指出擴展比k＝介質(zhì)桿的變化距離(即失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的變化距離)δM/調(diào)諧活塞的變化距離δL＝50～100較適合。
介質(zhì)桿的引入，達到了如下的特性〔a〕在空腔半功率點帶寬的5倍以內(nèi)(介質(zhì)桿約在5mm以內(nèi)變化)擴展比k的線性誤差小于3%;
〔b〕不明顯降低空腔的有載Q因子;
〔c〕不產(chǎn)生其它波模。
圖3是將所述的失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕安裝在耦合有損耗模波導(dǎo)〔5〕(其中可放入待測的高損耗樣品〔4〕)的TE01n模腔體上。它是另一種具有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的TE01n模諧振腔。這時因待測樣品引入而引起的腔體諧振頻率的微小變化，可用失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)來精確測量。所以它除能測量Q因子外，還可以解決該腔體測量ε′r時的不靈敏問題，使該測量高損耗材料復(fù)介電常數(shù)的方法實用化。當(dāng)然，失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)也可以安裝在該腔的上端，類似于圖2所示。
圖4是由微波信號源〔7〕、隔離器〔8〕、本發(fā)明所述的圖1～3中任何一種腔體〔9〕和傳感-指示器〔10〕構(gòu)成的電介質(zhì)測量裝置。其中微波信號源〔7〕目前常用的是合成信號源，用高穩(wěn)定度晶體振蕩器鎖定的微波信號源或用高Q腔鎖定的微波信號源。傳感-指示器〔10〕目前常用的是晶體檢波器-放大器(包括交、直流放大器)或微瓦以下的功率探頭-功率指示器等。
其測量方法是分別測量不含樣品和含樣品〔4〕(厚度b)的腔體在同頻率諧振時調(diào)諧活塞〔3〕位置的變化△L，及上述兩種情況下有載Q因子Qo和Qd，按下面公式計算材料樣品的ε′r和tanδ(tanβdb)/(βdb) = (tanβo(△L+b))/(βOb) (1)ε′r＝(β2d+K2)/(β20+K2); (2)
tanδ=B( 1/(Qd) - 1/(Q＇O) )(3)式中 B＝｛P(2b-s)+(1/ε′r)〔2(Ld-b)-q〕｝ (4)/〔P(2b-s)〕;
Qd＝B〔P(2b-s)〕(β2d+K2)/2k△Mdβ20; (5)Q′0＝Q0Bε′r〔P(2b-s)〕(K2+2aβ20/L0)/A; (6)Q0＝L0(β20+K2)/β20k△M0; (7)A＝K2〔P(2b-s)+2(Ld-b)-q〕+2a(Pβ2d+β20); (8)P＝sin2〔β0(△L+b)〕+(β0/β1)2cos2〔β0(△L+b)〕;(9)S＝sin2βdb/βd; (10)q＝sin〔2β0(△L+b)〕/β0; (11)K＝2π/λc＝3.832/a; (12)a是腔體半徑;
β0是腔中空氣的相位系數(shù);
k＝δM/δL是擴展比;
βd是腔中介質(zhì)的相位系數(shù);
λc是TE01n模腔的截止波長;
△M0是腔中不含樣品時失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)在半功率點的寬度;
△Md是腔中含樣品時失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)在半功率點的寬度。
其測量步驟如下一、將微波信號源穩(wěn)定在所需的頻率ν;
二、測量擴展比k調(diào)節(jié)諧振腔的調(diào)諧活塞〔3〕使其諧振，再微微改變調(diào)諧活塞〔3〕，它造成的失諧用失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕的變化來跟蹤補償，獲取10個以上的數(shù)據(jù)，用線性回歸處理求取其斜率，即為δM/δL＝k。可以在腔體加工好后在不同的頻率ν下，預(yù)先作為k＝f(ν)，以存使用;
三、在腔體調(diào)諧活塞上放入與它一樣大的厚度為b的樣品〔4〕，將失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕放中心位置，調(diào)節(jié)調(diào)諧活塞〔3〕使腔體諧振，記下腔體長度Ld;
四、變化失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕，使其在兩側(cè)的半功率點失諧，得到帶寬△Md(當(dāng)△Md超過使用范圍時，可直接用諧振活塞失諧〔3〕，得到帶寬為△Ld，并有△Ld＝△Md/k)。并使它〔6〕回到中心位置(以下同，即每次測好后均如此。)五、取出樣品〔4〕，調(diào)節(jié)調(diào)諧活塞〔3〕，使其恢復(fù)諧振，記下腔體長度L0;得△L＝L0-Ld。
六、變化失諧機構(gòu)〔6〕，獲得在半功率點的帶寬△M0。
用這些測得的數(shù)據(jù)，按式(1)至(12)計算樣品的ε′r和tanδ。
當(dāng)使用圖3的腔體測量大損耗材料時，由于△L＝L0-Ld≈0，所以應(yīng)使損耗模波導(dǎo)中不含和含樣品〔4〕時，調(diào)諧活塞〔3〕位置不變(即△L＝0)，用變化失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6)來恢復(fù)諧振，它在這兩種情況下讀數(shù)之差△M＝M0-Md，來求取△L，即△L＝△M/k。
例子用漆包線、樹脂、玻璃纖維、吸收劑，金屬箔制成內(nèi)徑為φ50mm的螺旋管圓筒〔1〕，在其下端裝帶雙絲桿的調(diào)諧活塞〔3〕，其最小刻度為0.002mm;上端裝上帶輸入、輸出耦合孔的耦合器〔2〕，離上端面12mm處的側(cè)面裝上失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)〔6〕，其介質(zhì)桿用3mm的聚四氟乙烯棒，用0.001mm精度的測微器調(diào)節(jié)。構(gòu)成如圖1的腔體，在9.4GHz運行在TE017模，測得擴展比k＝85，用電介質(zhì)材料樣品測得的數(shù)據(jù)是
石英玻璃ε′r＝3.835，tanδ＝1.81×10-4;
聚四氟乙烯ε′r＝2.045，tanδ＝2.22×10-4。
在35GHz時用構(gòu)成圖2的結(jié)構(gòu)，能得到同樣滿意的結(jié)果。
圖5是由壓控微波信號源〔11〕、隔離器〔12〕、定向耦合器〔13〕、本發(fā)明圖1或2的腔體〔14〕、檢波器〔15〕和穩(wěn)頻器〔16〕構(gòu)成鎖定又可微調(diào)頻率的穩(wěn)頻微波信號源，和另一隔離器〔17〕、被測腔〔18〕和指示器〔19〕構(gòu)成的穩(wěn)頻測Q裝置，它獲得頻率的穩(wěn)定度可達10-6數(shù)量級。其突出的優(yōu)點是簡單、省線，節(jié)省了高位的微波數(shù)字頻率計和穩(wěn)定的微波信號源;并可以在約±1MHz范圍內(nèi)微調(diào)頻率。因而可以方便地用來測量無調(diào)諧結(jié)構(gòu)的各種波模高Q腔的有載Q因子，也可用于測定按微擾法測量電介質(zhì)時引起的頻率變化。
權(quán)利要求
1.一種具有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的TE01n模諧振腔，它包括金屬圓筒(或螺旋管)[1]，耦合器[2]，調(diào)諧活塞[3]，或還包括損耗模波導(dǎo)[5]，其特征是在所說的金屬圓筒(或螺旋管)[1]上設(shè)有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)[6]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的TE01n模諧振腔，其特征在于所說的失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)是在金屬圓筒(或螺旋管)腔體固定端面到二分之一波導(dǎo)波長之間徑向引入極低損耗的細介質(zhì)桿，該介質(zhì)桿用測微頭推動，以二分之一腔體半徑為中心前后移動;或者在固定端面半徑的方向上，軸向引入低損耗的細介質(zhì)桿，該介質(zhì)桿用測微頭推動，以四分之一波導(dǎo)波長為中心上下移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有失諧調(diào)節(jié)機構(gòu)的TE
文檔編號H01P7/06GK1045862SQ8910170
公開日1990年10月3日 申請日期1989年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月23日
發(fā)明者倪爾瑚 申請人:浙江大學(xué)