復雜電磁媒質(zhì)介電系數(shù)測量方法及實驗研究.pdf

1、隨著人們對電磁波認識的深入，微波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、醫(yī)藥、化工等領域的應用研究取得了巨大的進展。但是，由于微波對物質(zhì)的作用，特別是對復雜電磁媒質(zhì)的作用機理還沒有被真正認識，這成為制約微波更廣泛應用的瓶頸。 由于介電系數(shù)表征了介質(zhì)對微波的宏觀響應特性，因而成為微波能應用中不可或缺的知識。 自然界中物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的多元化，如生物組織，化學反應體系，大多數(shù)是由多種成分結(jié)構(gòu)物質(zhì)組成的復雜電磁媒質(zhì)。研究復雜媒質(zhì)的介電系數(shù)以及與之相適

2、應的測量方法是微波應用研究中基礎的研究工作。本文就從簡單電磁媒質(zhì)到復雜電磁媒質(zhì)對介電系數(shù)及相適應的測量方法進行了研究與探討，這些工作將對微波能應用研究提供幫助。 論文的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點如下： (1)提出了解決終端短路法測量介電系數(shù)中遇到的病態(tài)問題的新方法。在終端短路法測量時，需要解由反射系數(shù)與介電系數(shù)組成的超越方程，由于一次測量的信息量不足，方程常常是存在多解的病態(tài)方程。本文利用窄帶內(nèi)介質(zhì)介電系數(shù)變化較小的特性，提出了在

3、窄頻帶內(nèi)，分別將方程多個解的反射系數(shù)計算曲線與測量曲線比較，以此得到介電系數(shù)的唯一解的方法。 通過實驗，分析了終端開路同軸線法測量的誤差范圍，從而證明終端開路同軸線法測量小試樣的可行性。 (2)設計了一個具有開槽結(jié)構(gòu)同軸線的新測量探頭，在已有遺傳算法與數(shù)值仿真理論基礎上，提出了測量介質(zhì)的介電系數(shù)的新方法，進行了正問題的數(shù)值仿真和逆問題的計算，確定了該方法的可行性，實驗驗證了結(jié)果的準確性。這種方法不需要相位信息，不需要標準

4、介質(zhì)校準，可用于寬帶、中大功率工作狀態(tài)下的測量。 (3)通過實際測量常用有機試劑以及有機二元混合體系在不同體積比下的介電系數(shù)，首次發(fā)現(xiàn)了在二元混合體系中，當混合介質(zhì)實部(或虛部)接近，而實部(或虛部)相差較大時，隨著混合比例的變化，混合體系的介電系數(shù)實部(或虛部)將出現(xiàn)大于其中任一組份介質(zhì)介電系數(shù)實部(或虛部)的峰值。將實驗結(jié)果與Bruggeman公式的理論計算值進行比較，結(jié)果顯示對稱的Bruggeman公式在微波頻段，預測了與

5、測量結(jié)果趨勢相一致的峰值。對稱Bruggeman理論可以解釋這種與傳統(tǒng)觀念相悖的現(xiàn)象。 (4)根據(jù)分子三維模型的尺寸，利用經(jīng)典球形和橢球形混合物理論公式計算混合體系介電系數(shù)隨體積比變化的趨勢，將計算值與測量值，特別是出現(xiàn)峰值的特性進行比較。確定了傳統(tǒng)統(tǒng)一混合理論在微波頻率下的適用性：對于統(tǒng)一的混合理論模型，在微波頻率，可以預測液態(tài)分子混合時出現(xiàn)峰值的特性，但是預測結(jié)果與測量值有一定的差異。對稱的Bruggeman理論在分析小分子

6、體系時差異小。雖然Maxwell Garnett及Coherent potencial公式是非對稱的，但是對某些長分子混合體系出現(xiàn)峰值的預測，卻有比較理想的效果。 (5)化學反應系統(tǒng)是一個非平衡系統(tǒng)，它不是各種化合物的簡單混合。到目前為止，有關(guān)化學反應體系介電系數(shù)隨時間變化的理論除黃卡瑪?shù)忍岢鐾馍僖妶蟮?。本文以液相化學反應體系為對象，基于反應溶液中單位體積內(nèi)的分子個數(shù)隨溫度變化的情況對已有的化學反應介電系數(shù)經(jīng)驗公式進行了改進。根