具有失諧調節機構的橫電波模諧振腔的製作方法

2023-12-01 17:58:21

專利名稱：具有失諧調節機構的橫電波模諧振腔的製作方法
技術領域：
本發明屬於電介質測量的微波諧振腔帶有調諧活塞的橫電波模、高Q微波諧振腔是由金屬圓筒(或螺旋管)、耦合器和調諧活塞組成。它已廣泛地應用於電介質測量，即測量材料的相對復介電常數εr＝ε′r(1-jtanδ)，這已被公認為是最可靠和最精密的電介質測量方法之一，但卻未商品化，其主要原因在於1.用調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，特別對於低損耗材料。
2.各種具有較高精確度的測量Q因子系統，需要繁多的、高精度的儀器，與此有關的技術也相當複雜。
3.目前最廣泛應用的變頻率法測量半功率點帶寬來計算Q因子的方法，當Q因子降得較低時，儘管信號源有恆功率輸出，但由於在兩個半功率點之間的頻率變化，使輸入和輸出耦合量發生變化，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。
本發明是提供一種具有失諧調節機構的橫電波模諧振腔，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並能測出高損耗材料樣品的介電常數。在電介質測量、微波信號源的穩頻、測量Q因子、精密波長計等方面能得到廣泛應用。
下面結合附圖和實施例作詳細說明。


圖1是具有徑向引入失諧調節機構的橫電波模諧振腔示意圖。圖2是具有軸向引入失諧調節機構的TE01n模諧振腔示意圖。圖3是具有徑向引入失諧調節機構的、並耦合有損耗模波導的TE01n模諧振腔示意圖。圖4是電介質測量裝置方框圖。圖5是穩頻測Q裝置方框圖。
本發明在原有的由金屬圓筒(或螺旋管)〔1〕、耦合器〔2〕和調諧活塞〔3〕，或還具有損耗模波導〔5〕構成的TE01n模諧振腔的金屬圓筒(或螺旋管)上增設失諧調節機構〔6〕。該機構是在金屬圓筒(或螺旋管)腔體固定端面到二分之一波導波長之間徑向引入極低損耗的細介質杆，該介質杆用測微頭推動，以二分之一腔體半徑為中心前後移動(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杆，該介質杆用測微頭推動，以四分之一波導波長為中心上下移動(圖2)。
上述兩種介質杆引入情況可視結構上的方便，任意選擇使用。所不同的是在圖1的結構中，當工作頻率改變時，失諧調節機構〔6〕的擴展比將有所變化;而在圖2的結構中，當工作頻率改變時，失諧調節機構〔6〕的中心點將有所變化。介質杆材料可用聚四氟乙烯、微泡沫或緻密的石英玻璃、微泡沫低損耗高頻陶瓷或其它極低損耗、低介電常數的材料。介質杆直徑在2～4mm之間選擇。
這個失諧調節機構〔6〕實際上起著調諧活塞〔3〕的微調作用。當應用於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中介質杆引入的軸向和徑向具體位置;
〔b〕介質杆的介電常數;
〔c〕介質杆的直徑;
來達到所希望的擴展比。實驗指出擴展比k＝介質杆的變化距離(即失諧調節機構的變化距離)δM/調諧活塞的變化距離δL＝50～100較適合。
介質杆的引入，達到了如下的特性〔a〕在空腔半功率點帶寬的5倍以內(介質杆約在5mm以內變化)擴展比k的線性誤差小於3%;
〔b〕不明顯降低空腔的有載Q因子;
〔c〕不產生其它波模。
圖3是將所述的失諧調節機構〔6〕安裝在耦合有損耗模波導〔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節機構的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，可用失諧調節機構來精確測量。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介電常數的方法實用化。當然，失諧調節機構也可以安裝在該腔的上端，類似於圖2所示。
圖4是由微波信號源〔7〕、隔離器〔8〕、本發明所述的圖1～3中任何一種腔體〔9〕和傳感-指示器〔10〕構成的電介質測量裝置。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是腔中空氣的相位係數;
k＝δM/δL是擴展比;
βd是腔中介質的相位係數;
λc是TE01n模腔的截止波長;
△M0是腔中不含樣品時失諧調節機構在半功率點的寬度;
△Md是腔中含樣品時失諧調節機構在半功率點的寬度。
其測量步驟如下一、將微波信號源穩定在所需的頻率ν;
二、測量擴展比k調節諧振腔的調諧活塞〔3〕使其諧振，再微微改變調諧活塞〔3〕，它造成的失諧用失諧調節機構〔6〕的變化來跟蹤補償，獲取10個以上的數據，用線性回歸處理求取其斜率，即為δM/δL＝k。可以在腔體加工好後在不同的頻率ν下，預先作為k＝f(ν)，以存使用;
三、在腔體調諧活塞上放入與它一樣大的厚度為b的樣品〔4〕，將失諧調節機構〔6〕放中心位置，調節調諧活塞〔3〕使腔體諧振，記下腔體長度Ld;
四、變化失諧調節機構〔6〕，使其在兩側的半功率點失諧，得到帶寬△Md(當△Md超過使用範圍時，可直接用諧振活塞失諧〔3〕，得到帶寬為△Ld，並有△Ld＝△Md/k)。並使它〔6〕回到中心位置(以下同，即每次測好後均如此。)五、取出樣品〔4〕，調節調諧活塞〔3〕，使其恢復諧振，記下腔體長度L0;得△L＝L0-Ld。
六、變化失諧機構〔6〕，獲得在半功率點的帶寬△M0。
用這些測得的數據，按式(1)至(12)計算樣品的ε′r和tanδ。
當使用圖3的腔體測量大損耗材料時，由於△L＝L0-Ld≈0，所以應使損耗模波導中不含和含樣品〔4〕時，調諧活塞〔3〕位置不變(即△L＝0)，用變化失諧調節機構〔6)來恢復諧振，它在這兩種情況下讀數之差△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，金屬箔製成內徑為φ50mm的螺旋管圓筒〔1〕，在其下端裝帶雙絲杆的調諧活塞〔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處的側面裝上失諧調節機構〔6〕，其介質杆用3mm的聚四氟乙烯棒，用0.001mm精度的測微器調節。構成如圖1的腔體，在9.4GHz運行在TE017模，測得擴展比k＝85，用電介質材料樣品測得的數據是
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時用構成圖2的結構，能得到同樣滿意的結果。
圖5是由壓控微波信號源〔11〕、隔離器〔12〕、定向耦合器〔13〕、本發明圖1或2的腔體〔14〕、檢波器〔15〕和穩頻器〔16〕構成鎖定又可微調頻率的穩頻微波信號源，和另一隔離器〔17〕、被測腔〔18〕和指示器〔19〕構成的穩頻測Q裝置，它獲得頻率的穩定度可達10-6數量級。其突出的優點是簡單、省線，節省了高位的微波數字頻率計和穩定的微波信號源;並可以在約±1MHz範圍內微調頻率。因而可以方便地用來測量無調諧結構的各種波模高Q腔的有載Q因子，也可用於測定按微擾法測量電介質時引起的頻率變化。
權利要求
1.一種具有失諧調節機構的TE01n模諧振腔，它包括金屬圓筒(或螺旋管)[1]，耦合器[2]，調諧活塞[3]，或還包括損耗模波導[5]，其特徵是在所說的金屬圓筒(或螺旋管)[1]上設有失諧調節機構[6]。
2.根據權利要求1所述的一種具有失諧調節機構的TE01n模諧振腔，其特徵在於所說的失諧調節機構是在金屬圓筒(或螺旋管)腔體固定端面到二分之一波導波長之間徑向引入極低損耗的細介質杆，該介質杆用測微頭推動，以二分之一腔體半徑為中心前後移動;或者在固定端面半徑的方向上，軸向引入低損耗的細介質杆，該介質杆用測微頭推動，以四分之一波導波長為中心上下移動。
全文摘要
本發明公開了一種具有失諧調節機構的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 優先權日1989年3月23日
發明者倪爾瑚 申請人:浙江大學