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開端同軸線法如何測(cè)量介電常數(shù)

更新時(shí)間:2025-03-06      點(diǎn)擊次數(shù):81

開端同軸線測(cè)量方法是一種很成熟的介電常數(shù)測(cè)量方法。用同軸線測(cè)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(jiǎn)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(duì)開端同軸線方法進(jìn)行了大量的研究。開端同軸線測(cè)量方法的最大的優(yōu)點(diǎn)是無損測(cè)量,可以用于液體、半固體(軟體樣品)的測(cè)量。因此,這種方法可以用于測(cè)量生物樣品。測(cè)量生物樣品的一個(gè)重要應(yīng)用就是用于研究電磁波對(duì)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(cè)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(shí)際的操作過程中,整個(gè)系統(tǒng)都要進(jìn)行校準(zhǔn)工作,使得測(cè)量能夠?qū)⒖计矫嬖O(shè)置在測(cè)量端,也就是開端同軸線的末端。而后,被測(cè)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(cè)量介電常數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

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在實(shí)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(cè)量介電常數(shù)無關(guān)的阻抗分量,也就是邊緣場(chǎng)效應(yīng)所引起的阻抗;Z(er)是傳輸線的末端阻抗,實(shí)際上就是由被測(cè)介質(zhì)引起的阻抗;C(er)=C0er,是有耗電容,也就是代表被測(cè)介質(zhì)引起的電容;C0是傳輸線位于空氣中時(shí)的電容。因此,傳輸線實(shí)際上是一個(gè)傳感器的功能。而被測(cè)介質(zhì)在測(cè)量過程中理論上是無窮大的,并且是均勻的。但在實(shí)際過程中,被測(cè)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(chǎng)效應(yīng)引起的對(duì)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(gè)條件所確定:①傳輸線的橫截面尺寸與波長(zhǎng)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(shí)要求樣品的體積足夠大,使得邊緣場(chǎng)不被影響,也就是邊緣場(chǎng)能等效成G。這兩個(gè)條件中,前一個(gè)條件規(guī)定了工作頻率的上限,而后一個(gè)條件則規(guī)定了工作頻率的下限。另外,還有一個(gè)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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