复杂电磁媒质介电系数测量方法及实验研究.pdf

随着人们对电磁波认识的深入，微波在工业、农业、医疗、医药、化工等领域的应用研究取得了巨大的进展。但是，由于微波对物质的作用，特别是对复杂电磁媒质的作用机理还没有被真正认识，这成为制约微波更广泛应用的瓶颈。 由于介电系数表征了介质对微波的宏观响应特性，因而成为微波能应用中不可或缺的知识。 自然界中物质结构组成的多元化，如生物组织，化学反应体系，大多数是由多种成分结构物质组成的复杂电磁媒质。研究复杂媒质的介电系数以及与之相适应的测量方法是微波应用研究中基础的研究工作。本文就从简单电磁媒质到复杂电磁媒质对介电系数及相适应的测量方法进行了研究与探讨，这些工作将对微波能应用研究提供帮助。 论文的主要内容与创新点如下： (1)提出了解决终端短路法测量介电系数中遇到的病态问题的新方法。在终端短路法测量时，需要解由反射系数与介电系数组成的超越方程，由于一次测量的信息量不足，方程常常是存在多解的病态方程。本文利用窄带内介质介电系数变化较小的特性，提出了在窄频带内，分别将方程多个解的反射系数计算曲线与测量曲线比较，以此得到介电系数的唯一解的方法。 通过实验，分析了终端开路同轴线法测量的误差范围，从而证明终端开路同轴线法测量小试样的可行性。 (2)设计了一个具有开槽结构同轴线的新测量探头，在已有遗传算法与数值仿真理论基础上，提出了测量介质的介电系数的新方法，进行了正问题的数值仿真和逆问题的计算，确定了该方法的可行性，实验验证了结果的准确性。这种方法不需要相位信息，不需要标准介质校准，可用于宽带、中大功率工作状态下的测量。 (3)通过实际测量常用有机试剂以及有机二元混合体系在不同体积比下的介电系数，首次发现了在二元混合体系中，当混合介质实部(或虚部)接近，而实部(或虚部)相差较大时，随着混合比例的变化，混合体系的介电系数实部(或虚部)将出现大于其中任一组份介质介电系数实部(或虚部)的峰值。将实验结果与Bruggeman公式的理论计算值进行比较，结果显示对称的Bruggeman公式在微波频段，预测了与测量结果趋势相一致的峰值。对称Bruggeman理论可以解释这种与传统观念相悖的现象。 (4)根据分子三维模型的尺寸，利用经典球形和椭球形混合物理论公式计算混合体系介电系数随体积比变化的趋势，将计算值与测量值，特别是出现峰值的特性进行比较。确定了传统统一混合理论在微波频率下的适用性：对于统一的混合理论模型，在微波频率，可以预测液态分子混合时出现峰值的特性，但是预测结果与测量值有一定的差异。对称的Bruggeman理论在分析小分子体系时差异小。虽然Maxwell Garnett及Coherent potencial公式是非对称的，但是对某些长分子混合体系出现峰值的预测，却有比较理想的效果。 (5)化学反应系统是一个非平衡系统，它不是各种化合物的简单混合。到目前为止，有关化学反应体系介电系数随时间变化的理论除黄卡玛等提出外少见报道。本文以液相化学反应体系为对象，基于反应溶液中单位体积内的分子个数随温度变化的情况对已有的化学反应介电系数经验公式进行了改进。根据化学反应方程，利用插值的方法，得到反应体系介电系数与温度的经验公式，从而给出任意时间、任意温度下反应体系等效介电系数。

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