一种圆柱形波导谐振腔.pdf

一种圆柱形波导谐振腔，属于微波测试技术领域，涉及微波电介质电参数测量技术，具体涉及一种用于测量杆状介质材料电参数的TM0n0模圆柱形波导谐振腔。本发明在现有圆柱形波导谐振腔的基础上，通过在腔壁沿径向方向开缝的方式抑制大量非TM0n0的干扰模式，使得TM0n0的工作模式得到谐振加强，从而提高介质杆电参数的测量精度。

1.  一种圆柱形波导谐振腔，包括圆形上端盖和带侧壁的圆形下端盖；上、下端盖采用硬质金属加工制成；上、下端盖合在一起，里面形成一个圆柱形谐振腔；圆柱形谐振腔内壁镀有金属银或金，金属银或金的镀层厚度大于圆柱形谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度；金属银或金的镀层的光洁度优于7级；上、下端盖中心处开有圆形通孔；圆柱形谐振腔侧壁中间对称位置上开有两个通孔分别作为微波输入、输出耦合孔；
其特征在于：在上端盖上，沿半径方向由圆心向外呈旋转对称方式地开有若干条宽度为1±0.2毫米的细缝；在下端盖上，沿半径方向由圆心向外包括侧壁在内，呈旋转对称方式地开有若干条宽度为1±0.2毫米的细缝。

2.  根据权利要求1所述的圆柱形波导谐振腔，其特征在于，在整个腔体外表面，沿所有细缝两侧开槽，槽宽为细缝宽度的4至6倍，使得细缝两侧的墙壁变薄，槽内填充吸波材料。

3.  根据权利要求1或2所述的圆柱形波导谐振腔，其特征在于，所述圆柱形波导谐振腔还包括销钉状的匹配夹具；所述销钉状匹配夹具能够插入圆柱形波导谐振腔的上、下通孔，插入圆柱形波导谐振腔上、下通孔的部分为管状，其高度与谐振腔腔壁厚度一致，其外径与圆柱形波导谐振腔的上、下通孔相匹配，其内径与待测介质杆半径相匹配。

一种圆柱形波导谐振腔
技术领域
本发明属于微波测试技术领域，涉及微波电介质电参数测量技术，具体涉及一种用于测量杆状介质材料电参数的TM0n0模圆柱形波导谐振腔。
背景技术
TM0n0模圆柱形波导谐振腔是一种微波谐振腔，可以用于测量杆状介质的介电常数、损耗角正切等电参数。常见的TM0n0圆柱形谐振腔用黄铜加工，表面镀银以提高腔体的固有品质因数。在腔壁两侧用耦合环进行激励，使腔内产生谐振。选取不同的n，其谐振频率不同。用不同n的TM0n0工作模式进行测量，即利用一腔多模技术可实现对被测介质材料的微波介电性能在不同频段的测量。
圆柱腔法测量介质电磁参数，选用的工作模式为TM_0n0模，利用样品对腔体内TM_0n0模式的扰动，提取相关参数再通过计算即可测量样品的电磁参数。但是由于腔体内非TM_0n0谐振模式的存在，会影响对工作模式的准确判定，导致测试结果不正确。因此如何抑制除TM_0n0模的干扰模就成为圆柱腔设计的关键。一般通过适当的选用测试腔的尺寸，可避免一部分杂模的干扰。圆柱腔尺寸与不同模式谐振频率的计算公式如下^[5]

式中R腔体半径，H为腔体高度，f_mnp为谐振频率，c为光速，μ_r、ε_r、μ′_mn、μ_mn、p为相关参数。
由公式(1)可知，不同模式的谐振频率的大小与腔体的尺寸有关，因此通过对腔体的尺寸优化，即可使一部分干扰模式远离工作频带。但是此时仍有大量的干扰模在存在工作频带内，对测试产生影响。因此如何设计圆柱腔，在不影响工作模式的情况下，而又能尽可能多地抑制干扰模式，是圆柱腔设计的难题。
发明内容
本发明提供一种能抑制大量干扰模式、测量精度更高、结构简单紧凑的谐振于TM0n0模式的圆柱谐振腔。
具体结构设计如下：
一种圆柱形波导谐振腔，如图1至图4所示，包括圆形上端盖和带侧壁的圆形下端盖。上、下端盖采用硬质金属加工制成；上、下端盖合在一起，里面形成一个圆柱形谐振腔；圆柱形谐振腔内壁镀有金属银或金，金属银或金的镀层厚度大于圆柱形谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度；金属银或金的镀层的光洁度优于7级。上、下端盖中心处开有圆形通孔；圆柱形谐振腔侧壁中间对称位置上开有两个通孔分别作为微波输入、输出耦合孔。
与现有圆柱形波导谐振腔不同的是：在上端盖上，沿半径方向由圆心向外呈旋转对称方式地开有若干条宽度为1±0.2毫米的细缝；在下端盖上，沿半径方向由圆心向外包括侧壁在内，呈旋转对称方式地开有若干条宽度为1±0.2毫米的细缝。
本发明提供的圆柱形波导谐振腔工作时，将待测介质杆插入圆柱形波导谐振腔的上下通孔中，在侧壁的一个通孔耦合入测试微波，通过侧壁的另一个通孔耦合输出电磁波，通过选用的工作模式为TM_0n0模的电磁波对待测介质杆进行电参数测量。由于沿圆柱形波导谐振腔的径向方向上开有若干旋转对称的细缝，使得谐振腔内大量围绕中心轴的非TM_0n0模式电磁波不能在腔壁形成电流回路而无法谐振，而沿腔体上下端盖径向方向的TM_0n0模式电磁波能够形成电流回路而得到谐振，从而使得大量非TM_0n0的干扰模式得到抑制，最终提高了介质杆电参数的测量精度。
附图说明
图1为本发明提供的圆柱形波导谐振腔的立体结构示意图。
图2为本发明提供的圆柱形波导谐振腔上端盖的谐振腔面结构示意图。
图3为本发明提供的圆柱形波导谐振腔上端盖的非谐振腔面结构示意图。
图4为本发明提供的圆柱形波导谐振腔带侧壁的下端盖结构示意图。
图5为本发明提供的圆柱形波导谐振腔附带的适应不同半径的介质杆的匹配夹具。
图6为两种尺寸、材料和加工工艺完全相同的圆柱形波导谐振腔的谐振曲线对比示意图。其中(a)为现有为开缝处理的圆柱形波导谐振腔的谐振曲线，(b)为本发明提供的具有开缝的圆柱形波导谐振腔的谐振曲线。
具体实施方式
一种圆柱形波导谐振腔，如图1至图4所示，包括圆形上端盖和带侧壁的圆形下端盖。上、下端盖采用硬质金属加工制成；上、下端盖合在一起，里面形成一个圆柱形谐振腔；圆柱形谐振腔内壁镀有金属银或金，金属银或金的镀层厚度大于圆柱形谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度；金属银或金的镀层的光洁度优于7级。上、下端盖中心处开有圆形通孔；圆柱形谐振腔侧壁中间对称位置上开有两个通孔分别作为微波输入、输出耦合孔。
与现有圆柱形波导谐振腔不同的是：在上端盖上，沿半径方向由圆心向外呈旋转对称方式地开有若干条宽度为1±0.2毫米的细缝；在下端盖上，沿半径方向由圆心向外包括侧壁在内，呈旋转对称方式地开有若干条宽度为1±0.2毫米的细缝。
本发明提供的圆柱形波导谐振腔工作时，将待测介质杆插入圆柱形波导谐振腔的上下通孔中，在侧壁的一个通孔耦合入测试微波，通过侧壁的另一个通孔耦合输出电磁波，通过选用的工作模式为TM_0n0模的电磁波对待测介质杆进行电参数测量。由于沿圆柱形波导谐振腔的径向方向上开有若干旋转对称的细缝，使得谐振腔内大量围绕中心轴的非TM_0n0模式电磁波不能在腔壁形成电流回路而无法谐振，而沿腔体上下端盖径向方向的TM_0n0模式电磁波能够形成电流回路而得到谐振，从而使得大量非TM_0n0的干扰模式得到抑制，最终提高了介质杆电参数的测量精度。图6为两种尺寸、材料和加工工艺完全相同的圆柱形波导谐振腔的谐振曲线对比示意图。其中(a)为现有为开缝处理的圆柱形波导谐振腔的谐振曲线，(b)为本发明提供的具有开缝的圆柱形波导谐振腔的谐振曲线。从图6中可以看出，经过开缝的圆柱形波导谐振腔的干扰模式的数量大大减少，从而可提高测试结果的精度。
在整个腔体外表面，沿所有细缝两侧还可开槽，槽宽为细缝宽度的4至6倍，使得细缝两侧的墙壁变薄，槽内填充吸波材料。由于槽内填充有吸波材料，使得谐振腔内大量围绕中心轴的非TM_0n0模式电磁波从细缝中泄露而被吸波材料所吸收，从而更进一步增加非TM_0n0的干扰模式的抑制效果，可进一步提高介质杆电参数的测量精度。
为了适应不同半径的介质杆的测量，本发明提供的圆柱形波导谐振腔还可增加销钉状的匹配夹具。所述销钉状匹配夹具可插入圆柱形波导谐振腔的上、下通孔，插入圆柱形波导谐振腔的上、下通孔的部分为管状，其高度与谐振腔腔壁厚度一致，其外径与圆柱形波导谐振腔的上、下通孔相匹配，其内径与待测介质杆半径相匹配。采用销钉状的匹配夹具可使得本发明提供的圆柱形波导谐振腔在不改变上、下通孔尺寸的前提下适应不同半径的介质杆的测试需求。