采用谐振腔微扰法的NiZn铁氧体介电常数测量

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)安徽大学物理与材料科学学院 作者:王翠平

  谐振腔微扰法广泛用于材料微波介电性能的测量,它与常规的测量方法相比,具有样品尺寸小、计算公式简单的优点,在近似计算频率、谐振腔品质因数、材料的介电常数等方面具有较高的应用价值.采用谐振腔微扰法,测量不同配方NiZn铁氧体在微波频段的复介电常数,计算得到介电常数的虚部ε″和实部ε',进而分析Ni和Zn的含量对NiZn铁氧体材料介电常数的影响.

  在电磁波领域,由于研究的对象是一个分布于空间的场,不能采用力学中解决粒子问题的处理方法,但如果借助于量子力学中对“态”的处理方法,就可以把影响场态的参数、边界条件等变化量作为微扰,而把变化前的场基态作为零级近似来处理.这种微扰法在近似计算频率、谐振腔的品质因数、材料的介电常数等方面具有很高的应用价值.

  铁氧体是一种双复合介质,既有磁损耗,又有一定的介电损耗.目前对于铁氧体的磁性研究较多也较成熟,但是它作为电介质材料在微波频段所具有的欧姆损耗、极化损耗、电子共振损耗等介电性能的研究并不多见.在铁氧体吸波材料家族中,NiZn铁氧体是一类价格便宜、易于合成的微波铁氧体材料,用NiZn铁氧体制备的微波器件在VHF/UHF及以下波段得到了广泛应用,但是它在GHz波段的微波吸收性能及其纳米材料的不可忽略的介电损耗研究却少见报道.作者采用谐振腔微扰法测量不同配方的NiZn铁氧体粉末在不同谐振频率下的复介电常数,探讨Ni与Zn的含量对NiZn铁氧体材料介电常数的影响.

1、测量原理及方法

  1.1、测量原理

  谐振腔是一端封闭的金属导体空腔,具有储能、选频等特性.常见的谐振腔有矩形和圆柱形两种,该文采用反射式矩形谐振腔.谐振腔品质因数为

采用谐振腔微扰法的NiZn铁氧体介电常数测量

  其中:f0为谐振腔谐振频率;f1、f2为半功率点频率.图1为TE10矩形谐振腔的微扰示意图.谐振腔的谐振频率为f0,将一根铁氧体细长棒置于谐振腔中微波电场最大磁场为零的位置.假设铁氧体的长轴与Y轴(电场方向)平行,中心位置在X=a/2,Z=l/2处,圆棒的横截面足够小,可以认为样品内微波电场最大,微波磁场近似为零.

TE10矩形谐振腔微扰示意图

图1 TE10矩形谐振腔微扰示意图

  现进行如下假设:

  (1)铁氧体棒的横向尺寸与棒长相比小得多,y方向的退电场可以忽略.

  (2)铁氧体棒的体积Vs和谐振腔的体积V0相比小得多,可以把铁氧体棒看成一个微扰,则根据微扰法可以得到下列关系式

采用谐振腔微扰法的NiZn铁氧体介电常数测量

结束语

  作者用谐振腔微扰法测量了谐振腔放样品前后的品质因数及相关参数的变化,并由此计算了不同配方NiZn铁氧体样品的介电常数,结果表明:NiZn铁氧体材料的介电性能与Ni和Zn的含量密切相关.总体上看,随着Ni含量的增加,样品介电常数实部呈上升趋势,样品介电损耗呈下降趋势.

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