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開端同軸線法如何測量介電常數(shù)

更新時間:2025-03-06      點擊次數(shù):136

開端同軸線測量方法是一種很成熟的介電常數(shù)測量方法。用同軸線測量介電常數(shù)的方法有很多不同的結(jié)構(gòu),但開端方法是其中最一簡單、最容易操作的一種。在過去的幾十年里,已經(jīng)有不少研究人員對開端同軸線方法進(jìn)行了大量的研究。開端同軸線測量方法的最大的優(yōu)點是無損測量,可以用于液體、半固體(軟體樣品)的測量。因此,這種方法可以用于測量生物樣品。測量生物樣品的一個重要應(yīng)用就是用于研究電磁波對生物體的作用機(jī)制,從而一方面控制有害的生物電磁效應(yīng),另一方面,可以利用有益的生物電磁效應(yīng)。

基本原理

電容模型

通常,開端同軸線測量方法是與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一同使用的。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的作用是記錄與頻率有關(guān)的復(fù)反射系數(shù)。所以,在實際的操作過程中,整個系統(tǒng)都要進(jìn)行校準(zhǔn)工作,使得測量能夠?qū)⒖计矫嬖O(shè)置在測量端,也就是開端同軸線的末端。而后,被測量物的介電常數(shù)則由復(fù)反射系數(shù)得到。下圖是利用開端同軸線測量介電常數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

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在實際的情形中,開端同軸線可以等效成下圖的電路模型。在圖中a和b分別為同軸線的內(nèi)導(dǎo)體及外導(dǎo)體的半徑。在等效電路中,Z或Cf代表與測量介電常數(shù)無關(guān)的阻抗分量,也就是邊緣場效應(yīng)所引起的阻抗;Z(er)是傳輸線的末端阻抗,實際上就是由被測介質(zhì)引起的阻抗;C(er)=C0er,是有耗電容,也就是代表被測介質(zhì)引起的電容;C0是傳輸線位于空氣中時的電容。因此,傳輸線實際上是一個傳感器的功能。而被測介質(zhì)在測量過程中理論上是無窮大的,并且是均勻的。但在實際過程中,被測介質(zhì)不可能是無窮大的,而是要求在有限的范圍內(nèi)。因此,由邊緣場效應(yīng)引起的對反射系數(shù)的影響不可以忽略。

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該等效電路的合理工作頻率范圍由兩個條件所確定:①傳輸線的橫截面尺寸與波長相比較小,以保證傳輸線的末端沒有強(qiáng)輻射,也就是保證大部分的能量集中在傳輸線的末端;②同時要求樣品的體積足夠大,使得邊緣場不被影響,也就是邊緣場能等效成G。這兩個條件中,前一個條件規(guī)定了工作頻率的上限,而后一個條件則規(guī)定了工作頻率的下限。另外,還有一個次要條件,就是隨著頻率的升高而增大,這是由于在倏逝波中激發(fā)了TM模式。整體而言,該等效電路的合理工作頻率范圍主要是由上述條件所限定的。

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