发布时间 : 星期二 文章复介电常数的微波测量方法研究 - 图文更新完毕开始阅读8db6fb8816fc700aba68fc12
硕士论文复介电常数的微波测量方法研究１绪论本章首先简单介绍论文的研究背景和微波测量复介电常数的应用价值，然后给出复介电常数的一些基本概念，并简单描述微波测量介电常数的发展现状，最后对论文的结构和内容进行简单介绍。１．１引言１８７３年，麦克斯韦（ＪａｍｅｓＣｌａｒｋＭａｘｗｅｌｌ）用公式建立了现代电磁理论的基础，至今，电磁波理论和应用的发展有将近一个多世纪的历史。而微波技术的应用都是通过电磁场与物质的相互作用来实现的，包括半导体材料、超导体材料、化学活性媒质以及非线性媒质等【ｌ】，微波技术的发展要求微波电路小型化、模块化和集成化，这些都促进了介质材料和微波器件的发展。近年来，随着介质材料在微波通信、雷达导航、卫星通信、遥感遥测、生物医疗以及国防装备等各个领域内的应用范围不断扩大，对于其电磁参数的检测也越来越受到人们的关注１２Ｊ。介质材料的复介电常数是描述介质材料电特性的物理量，是分析研究电磁波与介质材料相互作用及其场量变化的基础参数，也是麦克斯韦方程中本构参数之一，具有重要的物理意义［３１。在生产和使用介质材料时，准确获取其复介电常数是进行微波电路设计的前提之一，在工程中，无论是进行微波电路设计，还是进行电磁仿真计算，只有了解所用材料复介电常数的准确值，才能得到正确的结果１４］。因此，准确、快捷地测量出介质材料的复介电常数既是一项基础工作，又是一项十分重要的研究工作，一直是科学界的研究热点之一。微波技术在生物医学上的应用也受到研究人员的广泛关注，特别是微波成像技术对于肿瘤的检测，具有很好的实际价值和应用前景【５Ｊ。研究表明，水分含量的高低决定了组织相对介电常数和电导率的大小，恶性肿瘤组织的含水量比正常组织的要高很多，因此，肿瘤组织的相对介电常数和电导率就比正常组织的要高一些，微波成像技术正是利用这一特性来检测肿瘤组织的【６Ｊ。因此，准确获取生物组织的复介电常数对于微波在生物医学上的应用起着至关重要的作用。另外，在对肿瘤的微波热疗过程中，随着热疗探针温度的升高，肿瘤组织的凝固区域不断扩大，肿瘤组织的复介电常数也不断的发生变化，因此，可以通过检测受热组织复介电常数的变化来指导微波加热功率和时间，以防止加热过量而损伤正常组织，对病人造成不必要的损伤。ｌ绪论硕士论文１．２复介电常数的几个基本概念【１１１３】【７１１８ｌ当把介质材料放入电场中，由于介质材料的分子在电场力的作用下发生了极化现象，电极化的三个基本过程：（１）原子核外电子云的畸变极化；（２）分子中正负离子的相对位移极化；（３）分子固有电矩的转向极化。在外电场的作用下，介质的介电常数是综合反映这三种微观过程的宏观物理量，它是表征介质材料的贮电性能或极化性质的物理参数，也是分析和研究电磁场与介质相互作用的基本参量，它是频率的函数。当频率为零或很低（几ｋＨｚ）时，三种微观过程都参与作用，此时，介电常数对于一定的介质材料而言为常数。而在微波频段，介质的介电常数为一复数，定义介质的复介电常数为：￡’＝８’一庐＂（１．２．１）式中，￡’和￡”分别是复介电常数的实部和虚部，我们关心的是相对复介电常数，其表达式为：ｓ’＝９０（ｅ／一矗，＂）（１．２．２）式中，￡。为真空中的介电常数，￡。＝８．８５ｘ１０。１２Ｅｌｍ，注意到，绝对介电常数有单位，在国际单位制（ＳＩ）中的单位为：法拉第／米，而相对介电常数是一个无量纲的量（除特殊说明外，本文￡’和￡”均用来表示相对复介电常数的实部和虚部），其实部￡７反映了介质材料储存能量的本领；虚部ｓ＂表示介质材料中发生的耗散。引入复介电常数后，麦克斯韦方程中的磁场旋度方程可表示为：ＶｘＨ＝６Ｅ＋ｊ国０Ｅ＝如￡冒＋＠￡”＋Ｇ）Ｅ（１．２．３）＝如［￡，－．，”％夕］Ｅ式中，ｏ为材料的电导率，当。非常大时，材料实质上可认为是金属；当。小时，可认为是介质材料。定义等效介电常数为：￡。＝￡７一／缈＋％夕（１?２?４）由于实际中的介质材料都是有耗的，而介电常数的虚部反映了介质损耗，通常用损耗角正切ｔａｎ６来表示其损耗因子，即：ｔａｎ６＝—＊＝．二－…器Ｒｅ＝警（１．２．４）ｎ２ｑｆ￡’ｌ￡７另外，在交变电磁场中，复介电常数与频率的关系可以用德拜方程来描述：．?一＾ｌ￡ｓ一￡。￡２￡。＋ｉｌ＋—ｊｃ卫ｏＴ（１．２．５）２硕士论文复介电常数的微波测量方法研究式中，￡。为光频介电常数（频率无限大时的介电常数），￡。为静电场中的介电常数，ｔ为弛豫时间，∞为角频率。复介电常数虽然是材料本身固有的参数，但它同时也是频率∞的函数￡‘（ＣＯ），特别是在微波频段，实部￡’（ｃｏ）随频率的增加而变小，虚部￡＂（ｃｏ）也随频率的改变而变化，所以应该在使用频率附近测量材料的复介电常数。在很多情况下，复介电常数还受温度、相对湿度等外部因素的影响，因此，在测量时，应尽量使外界环境保持恒定，才能给出比较准确的结果。１．３介电常数微波测量方法的发展剐９ｌ对介质材料介电常数的测量目前仅能通过间接方法进行，通常是建立在传输线理论、特性阻抗以及传播常数的基础之上，通过介电常数与实际可测量值之间存在着一定的函数关系，再建立一定的数学模型，即可计算得出材料的介电常数。在微波频段，用于测量介电常数的方法主要有反射／传输法、谐振腔法、自由空间法。传输线法是早期用于测量介质电磁参数的比较成熟的方法，其原理是将各向同性的均匀介质材料填充到传输线内（波导或者同轴线等），通过测量加载介质样品前后传输线阻抗或网络参数的变化来求解介电常数。其中，用的最多的是终端短路法，也称为短路波导法，它是在波导短路端加载待测介质，根据加载样品前后输入阻抗和反射系数的变化来求解复介电常数，该方法的测试装置比较简单，但要解超越方程并且需要判断最终解（超越方程的解为多值）。为了能够实现对样品材料介电常数的精确测量，早期的测量方法需要制备样品，以满足不同测量装置的要求。１９７４年Ｗ｜ｅｉｒ等人利用传输线法借助网络分析仪对电磁参数进行了宽带测量【ｌｏ】，后来，ＨｏｎｇｍｉｎｇＺｈｅｎｇ等人提出了终端开路同轴线法【１１１，将同轴线的终端开路并紧贴待测样品放置，另一端连接网络分析仪，该方法实现了宽频带和非侵入测量。近年来，随着ＰＣＢ技术的发展，先后出现了带线型和微带线型的测试结构，与矩形波导和同轴线传输／反射法相比，这两类结构具有样品制备方便且易于放置等优点，但其测量精度与ＰＣＢ加工精度有关。谐振腔法也是应用比较早的方法之一，该方法是将待测介质置于谐振腔内，根据加载样品前后谐振频率和Ｑ值的变化来确定待测介质的介电常数和损耗角正切。上世纪六十年代初期，Ｂａｒｌｏｗ提出了复合谐振腔的概念，并指出，根据在截止波导中置入样品前后谐振腔性能的改变来分析样品的介电性能。Ｒ．Ａ．Ｗａｌｄｒｏｎ提出了腔体微扰理论【１２】之后，陆续出现了各种利用该理论测量电磁特性的谐振腔结构。２００１年，Ｃａｒｔｅｒ对腔体微扰理论进行了发展，他从麦克斯韦方程出发，推导出了微扰方程，并对该方程的使用条件及误差范围进行了分析【ｌ引。谐振腔法主要适合对低损耗介质的介电常数测量，能够达ｌ绪论硕士论文到很高的测量精度，但由于波导腔体比较笨重，不便于在线测量。随着ＰＣＢ技术的发展，有人提出了基于平面传输线的谐振结构【１７】【１８】用于测量复介电常数，一方面降低了制造成本，另一方面增加了设计的灵活性，特别是在毫米波段和亚毫米波段，基于ＰＣＢ电路的谐振法是主要使用的技术。自由空间法是将样品置于两测量天线之间，根据发射信号与接收信号的变化情况，计算待测介质的复介电常数。１９８７年Ａ．Ｌ．ＣｕＵｅｎ基于菲涅尔反射定律提出了一种在自由空间测量介质电磁参数的方法【１４１，随后，Ｇｈｏｄｕａｏｎｋａｒ等人利用透射天线解决了边缘散射问题【１５】，将自由空间法逐步完善，１９９１年，Ｍ．Ｈ．Ｕｍａｒｉ提出了自由空间双静态校准方法嗍，有效的减小了多重反射和斜入射时的聚焦影响，使测量更易于实现。该样品制作比较简单，只要求一块平坦的、双面平行的、相对面积足够大的样品，以避免电磁波的绕射。自由空间法应用范围也比较广，特别适合于实地测量。相比较而言，传输／反射法，可以实现宽频测量，但当待测样品的尺寸比工作波长小或者待测样品为低损耗介质时，测量误差比较大。谐振法恰恰适合测量低损耗的介质材料，无论采用何种谐振方式，其测量频带均要受到腔体的谐振频率的限制，往往难以实现宽带测量；若要完成宽频带测量，需要不同尺寸的谐振腔体来采样不同的频率点，相邻频率点的间距不能够太大。自由空间法要考虑电磁场的绕射以及空间电磁波多次散射的影响。对介质材料复介电常数的测量，无论是测量装置，还是测量方法，都将朝着准确、迅速、宽频、无损和实时等方面发展，以满足科研和工业生产的需要。１．４论文的主要研究内容本论文的目的是对复介电常数的微波测量方法进行分析研究，并设计提取复介电常数的测量探针或装置。随着微波平面传输线工程应用的发展，以及对复介电常数微波测量技术研究的深入，出现了很多基于平面传输线结构的复介电常数测量方法，这些方法不但测量频带宽，测量结果也越来越精确。本文首先对国内外的平面传输线结构复介电常数测量方法进行了分析和比较，针对不同的测量原理和研究对象，设计了三种不同的测量装置，并进行了仿真或实验验证。本论文的结构及主要研究内容如下：１、利用平面传输线结构对复介电常数测量的主要方法进行详细的介绍。将常用方法分成了两类，即谐振法和非谐振法，对每种方法常用测量结构进行了阐述，并给出了简要测量方法和简单的计算模型。２、基于ＳＩＷ平面型探针的复介电常数测量研究对前文提出的非谐振方法进行了进一步的研究，提出了反射式测量结构，并简要阐述了反射法的五种数学计算模型。在此基础上，设计了平面测量探针，并利用灵敏度分析法对探针进行了优化设计，最后利用加工的探针实物对生物组织进行了测量，并给出４