（电磁场与微波技术专业论文）基于微波同轴谐振腔物料密度测量技术的研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d y o fm a t e r i a ld e n s i t ym e a s u r e m e n t c h n i q u e sb a s e do nm i c r o w a v ec o a x i a l r e s o n a n tc a v i t y c a n d i d a t e ：l i ux i n g p e n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n gy u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：e l e c t r o m a g i n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v e t e c h n o l o g y d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 01 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i j ，f 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：浏半爵弱 日期： 砌d 年多月尼日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：划半鹏 日期： 劫d 年弓月名日 导师( 签字) ：措 户年弓月，石日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 密度测量技术广泛应用于计量学、应用物理、海洋学等基础研究科学领 域以及化工、石化、冶金等应用工程领域，是探求物质特性和检验产品质量 常用的方法之一。密度测量方法主要包括红外线测量法、超声波测量法以及 微波测量法等方法。微波测量法抗干扰能力强，精度高，测量结果具有很好 i 的可靠性，可实现快速实时测量，操作简单安全，与此同时，微波器件生产 成本的降低使得微波测量技术的成本大大降低。因此，微波测量技术必将有 广泛的应用前景。微波测量装置的核心部件是微波传感器，以往对于微波传 感器的设计采用实物测量的方法，这势必会增加研发的成本和延长研发时间。 随着计算机仿真技术的发展，采用仿真技术来替代实物测量可以大幅度降低 研发成本和缩短研发周期，成为目前比较普遍的微波元件的辅助设计方法。 本论文研究的主要内容分为两部分。第一部分是利用h f s s 仿真软件设 计具有良好电磁特性的微波同轴谐振腔，首先利用同轴谐振腔尺寸计算公式 给出同轴谐振腔的初始尺寸；之后采用i - i f s s 仿真软件对同轴谐振腔的耦合 方式、环耦合方式下耦合环的尺寸位置以及同轴谐振腔保护盖的厚度等同轴 谐振腔的主要设计参数进行了仿真，给出了合理的谐振腔尺寸；然后对谐振 腔的长度进行了校正，以提高其谐振频率，得出了一组具有优越电磁特性的 同轴谐振腔的设计尺寸。第二部分是利用h f s s 软件，将该同轴谐振腔用于 物料的密度测量，采用干燥烟叶作为同轴谐振腔的测量物料，通过改变烟叶 的含水率来改变湿烟叶的密度以及介电常数，首先得出了混合物料的介电常 数与其密度的关系，之后采用h f s s 软件对第一部分得出的同轴谐振腔进行 仿真，得出了物料的不同介电常数与谐振腔谐振频率的函数关系，最后得出 了该同轴谐振腔用于测量湿烟叶密度的方程。 本研究给出了用于密度测量同轴谐振腔传感器比较理想的设计参数，并 关键词：h f s s ；密度测量；同轴谐振腔；腔体结构：耦合结构 c n g i n e e d n 岛s u c ha sc h e m i c a li n d u s t r y , p e t r i f a c t i o n ，m e t a l l u r g y , e t c t h ed e n s i t y m e a s u r e m e n ti so n eo fb a s i cm e t h o d s t os e a r c hm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o d u c t q u a l i t yi n s p e c t i o nb y i n f r a r e dm e a s u r e m e n tm e t h o d ，u l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t m e t h o d , a n dm i c r o w a v em e a s u r e m e n tm e t h o d ，e t c t h em i c r o w a v em e a s u r e m e n t m e t h o dh a sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n ga n t i - j a m m i n ga b i l i t y , h i g hp r e c i s i o n ，g o o d r e l i a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t , r e a l i z i n gq u i c ka n do nt i m em e a s u r e m e n t ， s a f e t yt oh a n d l ea n dl o wa p p l i c a t i o nc o s tw h i c h i sg r e a td e c r e a s e db yp r o d u c tc o s t f a l l i n g t h e r e f o r e ，t h e m i c r o w a v em e a s u r e m e n tm e t h o d w i l lh a v ew i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h e c o r cc o m p o n e n to ft h em i c r o w a v em e a s u r e m e n t d e v i c ei sm i c r o w a v es e n s o rw h i c hw a sd e s i g n e db yp r a c t i c a l i t ym e a s u r e m e n t 1 1 1 t h ep a s t t h ep r a c t i c a l i t ym e a s u r e m e n th a dm u c hr e s e a r c hc o s ta n dl o n gr e s e a r c h p e r i o d u s i n ge m u l a t i o n a lm e a s u r e m e n ti n s t e a do fp r a c t i c a l i t ym e n s u r e m e n t c a n 掣e a t l yl o w e rt h er e s e a r c hc o s ta n ds h o r tt h er e s e a r c hp e r i o d w i t ht h ed e v e l o p m e n t 0 fc o m p u t e re m u l a t i o n a lm e a s u r e m e n tw h i c hi su s e da sa s s i s t a n t & s i g nm e t h o d o nt h ed e s i g no ft h em i c r o w a v ec o m p o n e n t t h ep a p e ri sd e v i d e di n t ot w op a r t st oi l l u s t r a t e t h ef i r s tp a r ti s t od e s i g na m i a 0 w a v c c o a x i a lr e s o n a n tc a v i t y w h i c hh a sg o o de l e c t r o m a g n e t i s m c h a r a c t e r i s t i cw i t hh f s se m u l a t i o n a ls o f t w a v e t oa c h i e v et h ep u r p o s e ，w eu s e d i m e n s i o nc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc o a x i a l r e s o n a n t c a v i t y t og a mo r i g i n a l d i i n e n s i o n t h e n ，m a i nd e s i g np a r a m e n t so ft h ec o a x i a lr e s o n a n tc a v i t y , s u c ha s c o u p u n gm o d e ，t h el o c a t i o no fc o u p l i n gr i n gi nt h er i n gc o u p l i n gm o d ea n d t h e t l l i c k n c s so fp r o t e c tc o v e r ，a r e e m u l a t e db yh f s st or e c e i v e ar e a s o n a b l e d i m e 璐i o n0 ft h ec o a x i a lr e s o n a n tc a v i t y a f t e rt h a t ，t h el e n g t ho f t h ec o a x i a l r e s o n a n tc a v i t yi sa d j u s t e dt oe l e v a t er e s o n a n t 丘e q u e n c ya n d t h ec o a x i a lr e s o n a n t c a v i t yi so b t a i n e dw h i c hh a sg o o de l e c t r o m a g n e t i s mc h a r a c t e r i s t i c t h e s e c o n d j a q u i f e r o u sr a t i oo ft h et o b a c c ol e a f t h e n ，t h ef u n c t i o nc o n n e c t i o nb e t w e e nt h e d i e l e c t r i cc o 璐t a n ta n dt h ef r e q u e n c yo ft h ec o a x i a lr e s o n a n tc a v i t yi sg a i n e d t h e c o a x i a lr e s o n a n tc a v i t yu s e di nt h ee m u l a t i o ni sg a i n e di nt h ef i r s tp a r t f i n a l l y , t h e e q u a t i o no ft h ea q u i f e r o u st o b a c c ol e a fd e n s i t yu s i n g t h ec o a x i a lr e s o n a n tc a v i t yi s a c h i e y e d t h ep a p e rg i v e sr e l a t i v e l yd e s i g np a r a m e t e r so ft h ec o a x i a lr e s o n a n tc a v i t yt o m e a s u r ea n dp a r t i c u l a rm e a s u r e m e n ti sg a i n e db yu s i n gc e r t a i nm a t e r i a lw h i c hh a s r e f e r e n c em e a n i n go nt h eu s i n go fc o a x i a lr e s o n a n tc a v i t yt om e a s u r cm a t e r i a l ，d e n s i t yi np r a c t i c ea p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：h f s s ；d e n s i t ym e a s u r e m e n t ；c o a x i a lr e s o n a n tc a v i t y ；c a v i t y c o n f i g u r a t i o n ；c o u p l i n gc o n f i g u r a t i o n 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1j ；i 言1 1 2 密度测量方法2 1 2 1 放射性同位素测量法2 1 2 2 红外线测量法2 1 2 3 超声波测量法。3 1 2 4 微波测量法3 1 3 微波测量技术的发展现状4 1 4 课题研究的目的和内容安排5 1 4 1 课题研究的目的。5 1 4 2 课题研究的内容安排6 第2 章微波谐振腔分析的基本理论8 2 1 微波谐振腔微扰原理8 2 1 1 微波谐振腔微扰基本理论9 2 1 2 介质微扰1 1 2 2 微波谐振腔电磁场分布的有限元法( f e m ) 1 3 2 3 微波仿真工具简介1 5 2 3 1h f s s 简介1 6 2 3 2h f s s 软件的特点1 6 2 3 3h f s s 软件仿真方法1 7 2 4 本章小结。1 8 第3 章微波谐振腔的设计。1 9 3 1 微波谐振腔基本参数1 9 3 1 1 谐振频率1 9 3 1 2 品质因数1 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 r 皇置皇暑宣宣置暑薯置宣暑薯宣置宣昌i 宣葺置置暑暑昌置囊置暑i i 宣薯皇i 暑置宣葺皇暑i 宣嗣1 1 宣一 3 2 微波谐振腔的设计2 2 3 2 1 微波谐振腔种类选择2 2 3 2 2 同轴谐振腔尺寸设计2 3 3 3 同轴谐振腔等效电路2 4 3 3 1 同轴谐振腔等效电路2 4 3 3 2 密度传感器等效电路2 5 3 4 同轴谐振腔耦合结构。2 6 3 4 1 探针耦合2 7 3 4 2 环耦合2 7 3 4 3 孔耦合2 7 3 4 4 耦合结构的影响2 7 3 5 本章小结2 8 第4 章同轴谐振腔h f s s 仿真设计2 9 4 1s 参数2 9 4 2 同轴谐振腔的设计及优化3 0 4 2 1 同轴谐振腔基本结构的设计。3 0 4 2 2 同轴谐振腔端口保护盖设计。3 4 4 2 3 同轴谐振腔结构的校正3 6 4 3 同轴谐振腔性能的验证。3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章密度测量同轴谐振腔h f s s 仿真实验。3 9 5 1 物料介电常数j 3 9 5 1 1 介电常数与物料密度的关系3 9 5 1 2 混合物料介电常数3 9 5 2 基于同轴谐振腔物料密度算法4 1 5 3 同轴谐振腔测量物料密度h f s s 仿真实验4 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 3 1 物料密度与介电常数的确定关系4 2 5 3 2 不同介电常数与谐振频率的关系4 2 5 4 本章小结4 5 结论4 6 参考文献4 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 3 致谢5 4 1 少，它是表示物质特性 密度，因此对物质进行 密度测量是研究物质性质的重要手段，也是探求未知物质的基本研究方法之 一。在诸如天体物理学、物理化学、计量学等基础学科研究领域中，对于所 研究的物质进行密度测量是常用的物质特性分析手段之一。在石化、冶金、 航天、轻工等实际工程应用领域中，通常采用在线密度测量装置来实现对于 产品质量的在线检测。 科学技术是第一生产力，人类历史的发展是由不断创新的科学技术所推 动的。密度测量作为重要的基础研究手段之一，同样也受益于科学技术的发 展而逐步发展壮大为一个先进的检测门类，并且广泛应用于当今社会的各个 门类中。在工业生产中实现简单快捷的密度在线测量可以对产品的质量和数 量进行有效地控制和检测，进一步提高生产的效率和产品的合格率。因此， 无论从经济利益角度出发还是从科学研究的角度出发，对于密度测量的深入 研究都将是未来科研工作者的重要研究内容【l , 2 1 ，同时，自动化程度不断提高 的工业生产过程也对于密度在线测量提出了更高的要求。 科学技术的发展带动了测量技术的发展，使得测量技术的手段不断更新， 与此同时，密度测量的新技术和新方法也如雨后春笋般涌现出来，不仅使其 应用的领域更加广泛，同时使得其精度也不断提高，从而可以满足对于测量 精度要求十分苛刻的研究领域。密度测量方法已经遍及科学研究领域和实际 工程应用领域，其作用也越来越显著，并且逐步成为生产和生活中所不可或 缺的计量手段。 1 2 密度测量方法 1 2 1 放射性同位素测量法 用于物料密度测量的放射性同位素测量方法在测量过程中，其测量装置 的感应器件无需同被测物质接触，该方法适用于粘度很高或者腐蚀性很强的 产品的密度测量，并且可随时在生产过程中对产品的质量进行检测，不需要 由于抽样而使得生产过程中断。放射性同位素测量法主要通过y 射线的穿透 能力来实现对于生产产品密度的在线检测。丫射线的波长极短，当射线穿透 被测产品时，该产品的原子会吸收部分的射线，不同的原子对于射线的吸收 能力不同，从而可以根据对于射线的吸收程度不同而确定被测物质的密度。丫 射线密度传感器一般由放射源、探测器( 探头) 和前置放大器组成p j 。 采用放射性同位素测量法实现物料密度的在线测量具有很快的测量速 度，同时其测量精度也是很高的。但是，由于y 射线的发射源为放射性同位 素，其对于人体的危害程度是很大的，因此在检测过程中需对操作人员进行 严密的保护措施；同时，由于放射源在使用一段时间后需要更换，而更换下 来的放射源同样具有比较大的危害，因此对于其适当的处理也是使用者必须 考虑在内的【4 】。 1 2 2 红外线测量法 红外线密度测量法可以实现无接触测量，其工作原理为当红外线照射到 被检测物料表面时，被测物料会对红外线产生一定程度的吸收，同时会反射 一部分红外线，利用不同物料对于红外线吸收和反射程度的不同来实现对物 料密度的测量。红外线检测仪是红外线测量方法中普遍使用的仪器，该方法 测量过程简单，机器使用和维护方面没有很高的要求，同时对于操作人员的 身体没有伤害。但该方法受物料的影响很大，由于是根据检测物料对于红外 线的吸收程度而实现测量，因此被测物体的表面粗糙程度，红外线光束与物 料表面的交角等因素均可以影响物料对红外线的吸收，影响测量结果，因此。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该方法的测量精度较低，无法满足中、高等物料生产的需要p j 。 1 2 3 超声波测量法 超声波的频率通常在1 6 2 0 k h z 的范围内，有时其频率值可超出这一范 围，该方法在测量技术领域中有着十分广泛的应用。当超声波在介质中传播 时，其超声量的变化与介质的特性有关，不同的介质对于超声量的影响均不 相同，超声波密度计通过测量超声量的变化来推求出介质特性的变化，进而 得出所测量物料的密度。超声波密度测量法根据所测量的超声量的不同( 如 声速、衰减和阻抗等) ，可以分为阻抗法、测速法和阻抗一测速法等【6 1 。 超声波有较好的方向性，其波长较短，能够穿透不透明的物质【7 】。由于 超声波的性质独特，使得超声波密度测量计成为测量石油产品质量的重要检 测手段，并广泛应用于石化行业。超声波测量法测量精度高，对操作人员无 伤害，超声波密度测量计使用简单、携带方便，是目前应用的比较广泛的密 度测量方法。但是，当超声波通过复杂介质时，会引起严重的衰减，使得其 测量准确度受到严重的影响，因此该方法不适用于复杂介质的密度测量。 1 2 4 微波测量法 微波技术作为一项目前应用的十分广泛的科学技术有着比较长的发展过 程。微波技术源于2 0 世纪初，第二次世界大战对于雷达的广泛使用推动了微 波技术的快速发展，并使得微波技术逐步发展成为一个独立的学科【8 引。微波 是一种频率很高的电磁波，在电磁波谱中只占有很小的范围【1 0 l 。在电磁波谱 中，普通无线电波的超短波的高频端之后是微波波段的低频端，红外线的低 频端之前是微波波段的高频端。通常微波依据其频率的高低被划分为分米波、 厘米波和毫米波三个波段【l l 】。 微波测量技术应用的是微波的低功率波段【1 2 】，当微波遇到某一物料时， 该物料会对微波产生反射、衍射、透射、谐振以及干涉等物理现象，同时不 同物料的介电常数有所不同，而具有不同介电常数的物料对于微波的影响是 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不同的，微波测量技术的测量原理正是基于微波的这一特性而发明的。微波 测量系统的核心部件是微波传感器和探头。微波传感器对非电量的变化有极 其敏感的影响，通过微波传感器的传递作用可以将被测物料非电量的变化进 行转换，引起微波的电参量发生变化，进而实现微波对于物料特性的测量。 通过微波测量技术，可以对产品生产过程中的残次品( 如缺陷、裂纹和不匀 质等) 进行在线监控，无需停止生产线或是进行抽样检查。微波的探头兼有 能量辐射和信息接收的作用，与雷达天线具有类似的作用。 微波可以通过空间辐射方式穿过介质内部，使得微波测量方法能够更全 面了解物料的特性，同时其测量过程中无需与被测定样品接触，因此该方法 适合应用于工业生产中对于产品质量的在线控制和检测。微波测量方法具有 很强的抗干扰能力，精度高，测量结果具有很好的可靠性，可实现快速、实 时测量，其辐射量不会对操作人员产生负面影响，操作简单安全，同时，由 于微波元器件的机械化生产而使得其成本显著下降，这些都使得微波测量技 术可以广泛应用于各行各业，微波测量技术必将有着广阔的应用前景。 i 3 微波测量技术的发展现状 微波应用于测量技术是许多科研工作者长期不解努力的结果。1 9 0 4 年， h u l s m e y e 发现电磁波遇到金属物体可以发生反射现象，并可以利用这一现象 来检测金属物体【1 3 】。在第二次世界大战期间，基于微波理论的雷达技术得到 了迅猛的发展，从而加速推进了微波技术的发展。1 9 5 4 年，h i p p e 出版了关 于物质介电常数的测量方法，系统的介绍了材料与波的相互作用。1 9 5 7 年， k r o e m e r 研发了异质结晶体管，矢量网络分析仪也在同年被制造出来。1 9 6 4 年，h p 公司推出了一款基于微波技术的网络分析仪，其频率在 1 0 0 m h z 1 2 4 g h z 。1 9 6 7 年，b u s s e y 首次提出了采用微波谐振腔对物料的某 些物理特性进行测量的设想【1 4 1 。随着微波元器件以及微波集成技术的不断成 熟及创新，数字化微波集成电路在1 9 7 8 年由n e c 等公司生产出来。2 0 世纪 8 0 年代，k a n d a l a 提出了微波谐振腔扰动理论来测量材料的特性，该理论的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 原理是加入微波谐振腔的扰动会使谐振腔的谐振频率和品质因数改变，而改 变的大小与材料的介电常数有关，进而实现微波谐振腔对于物料性质的测量。 之后，采用微波谐振腔来测量非金属材料的密度和湿度的方法被人们逐步采 用，并成为被广泛应用的测量方法【1 5 】。 近些年来，系统论、信息论等基础理论都有了长足的发展，计算机的运 算速度亦有了飞速的提高，这些因素使得微波测量领域发生了质的变革。微 波测量技术的发展与微波仪器的不断更新是紧密相连的【1 6 】，不断发展的科学 技术使得微波仪器更新换代速度加快，并逐渐向数字化、自动化、智能化方 向发展【1 7 1 。同时，软件模拟技术的飞速发展和广泛使用同样也在很大程度上 影响了微波测量技术的发展方向，简化了传统的微波测量仪器设计方法，通 过软件仿真辅助设计方法，可以大幅度减少实物元器件的制作，减少研发的 成本，缩短研发周期。 微波测量仪器是微波测量能够实现的基础，而数字电路模式的微波测量 仪器使得测量仪器准确度更高，同时具有高稳定性和高适应性的特剧埘，而 且可以建立具有智能化控制系统的自动检测系统。智能理论和通用无线接口 的发展使得微波测量仪器具有了更加丰富的意义，因为智能化的微波测量系 统依赖于接口硬件以及智能理论( 如模糊理论、神经网络等) 在微波测量系 统中的应用。更加自动化的测量系统使得微波测量仪器体积更小、结构更简 单，进而可以显著地减少微波测量仪器的硬件成本，使得其具有更高的性价 比，微波仪器的使用和微波测量的结果会更加使人满意。 1 4 课题研究的目的和内容安排 1 4 1 课题研究的目的 德国的h a u n i 公司和t e w 公司已经采用微波测量技术实现产品的在 线密度测量。h a u n i 公司所研制的微波密度湿度检测仪在其卷接机生产过 程中起到了重要的作用。t e w s 公司的微波测量产品分为工业现场使用和实 验室使用两种类型产品。目前国内采用微波技术进行物料的在线密度测量的 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 研究很少，而且应用于密度测量的微波仪器还没有应用到实际生产中，对于 应用于密度测量微波测量仪器的研究是迫切要解决的问题，因此本课题的研 究具有比较实际的应用价值。 目前比较普遍的微波测量方法分类通常根据微波测量仪器所应用的微波 传感器的不同而分为三类，即空间波法、传输线法和谐振腔法【”。2 1 1 。空间波 法测量过程中无需与被测物体接触，可以实现无损耗测量，测量过程简单， 但该方法分辨率低，被测物质本身的特性对于测量结果又比较大的影响，因 此常用于精度要求低的场合；传输线法采用传输线作为密度测量传感器，该 方法测量精度高，但测量过程中需将被测物体放置在传感器中，因此不能实 现无接触测量；谐振腔法以电磁振荡为原理，谐振腔法具有较高的准确度和 分辨率，容易实现自动化测量，是目前应用的比较广泛的一种测量方法。图 1 1 为谐振腔法测量系统框图。 图1 1 谐振腔法测量系统框图 本文以同轴谐振腔密度测量原理为基础建立同轴谐振腔模型，利用h f s s 软件对同轴谐振腔的腔体结构和耦合结构进行仿真，得出具有优越电磁特性 的同轴谐振腔结构。之后，向所得的最优化同轴谐振腔中加载具有不同介电 常数的物料，检验同轴谐振腔对于加载物料介电常数不同的性能，最终得出 不同的介电常数与同轴谐振腔谐振频率的变化关系，从而实现同轴谐振腔对 于所加载物料的密度进行测量的目的。 1 4 2 课题研究的内容安排 第一章介绍目前常用的密度测量方法，主要阐述微波测量技术的发展现 状及其特点，对本文的研究目的和研究内容做了大体的描述，最后给出了本 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 文的章节安排。 第二章主要论述微波谐振腔分析的基本理论，分别介绍微波谐振腔微扰 原理、求解微波谐振腔内电磁场分布的有限元法以及应用于微波谐振腔仿真 的h f s s 软件。有限元法作为谐振腔的分析手段可以用来分析微波谐振腔内 的电磁场分布情况，采用h f s s 软件对谐振腔进行仿真可大大缩短研发周期， 节约成本。 第三章给出微波谐振腔尺寸设计的基本依据，选择同轴谐振腔作为h f s s 仿真实验所研究的微波谐振腔。采用谐振腔等效电路可以比较形象地表达谐 振腔的谐振特性，并可采用谐振频率和品质因数作为衡量谐振腔性能的基本 参数。 第四章主要采用h f s s 软件仿真设计同轴谐振腔的外形尺寸及内部结 构，分别对同轴谐振腔的耦合结构、耦合环插入的高度和深度以及谐振腔保 护盖的厚度进行优化，得出一组具有优越电磁特性的同轴谐振腔的设计参数。 第五章主要利用得出的同轴谐振腔模型进行物料密度测量，以h f s s 仿 真软件为基础，模拟同轴谐振腔对于物料密度测量的过程，给出在特定条件 下( 测定环境一定，物料确定) 同轴谐振腔的谐振频率与物料密度的函数关 系。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章微波谐振腔分析的基本理论 2 1 微波谐振腔微扰原理 微扰法在理论力学研究领域和量子力学研究领域中都具有广泛的应用， 是理论力学中多体问题求解以及量子力学中多体量子问题求解的有效方法之 一【2 2 1 。在电磁波领域的问题求解过程中，电磁波的场分布不能采用量子力学 领域中粒子问题的处理方法来处理，但可以引入量子力学中对于“态 的处 理方法，把影响电磁波边界条件的变量看作一种微扰，而把未受影响的场视 为近似零级的基态来进行求解固j 。 微波谐振腔是一种微波谐振器，由封闭的导体壁构成。微波谐振腔比低 频l c 振荡电路具有更高的品质因数，可以很好地把被测物体引起的谐振腔 内部场分布的变化转化为谐振腔频率的偏移量。电磁波在微波谐振腔的纵向 和横向都可以被导体壁反射，通过入射波和反射波的叠加形成电磁驻波，在 电磁能量的转换过程中可以显现出振荡的现象，从而能够精准地测量非电量 的变化【2 4 j 。微波谐振腔在实际应用过程中，其腔体形状会发生微小的变化， 有时会由于实际需要向微波谐振腔某个部位加入微小介质来调整谐振腔的某 些运行参数，如用金属小螺钉旋入谐振腔内来调整其谐振频率。微波谐振腔 的微小改变或加入的微小介质对于微波谐振腔的微小扰动即称为微波谐振腔 的微扰。由此可以得出，微波谐振腔的微扰主要分为两种情况，即：形状微 扰和材料微扰两种。形状微扰指的是微波谐振腔内放入的介质不发生变化， 其尺寸和形状发生微小的变化而使得谐振频率发生微小的变化；材料微扰指 的是微波谐振腔在测量过程中形状和尺寸不发生变化，而放入腔内介质的介 电常数发生变化而引起的微波谐振腔的谐振频率的变化。 微波谐振腔的微扰理论用于计算由于谐振腔的微小改变或者其内介质的 微小改变而引起的微波谐振腔的特性参数( 如谐振频率、品质因数等) 的变 化。通常微波谐振腔微扰求解法包括两个步骤：第一个是未微扰问题，也就 是所说的近似基态，其解是已知的；第二个是微扰问题，也就是微波谐振腔 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 受到微扰后的问题求解，第二个问题可以借助于第一个问题的解实现求解过 程。 由于电磁场本身具有波动性和叠加性，进而使得受到微扰的区域其电磁 场变化也具有叠加性，所以这种方法用于微波谐振腔问题求解具有一定的局 限性。但当电磁场的范围远远小于波长时，即我们通常所说的准静态情况发 生时，这种叠加性的影响就会很小了【2 5 1 。 2 1 1 微波谐振腔微扰基本理论 设微波谐振腔的体积为v ，内表面积为s ，如图2 1 ( a ) 所示【2 6 1 。 ( 口) f 弘 p ) 图2 1 微波谐振腔示意图 微波谐振腔受微扰前其腔内电磁场向量满足m a x w e l l 方程，即： v x 毛一一j 盹日o( 2 1 ) v x h o j w o e o e o( 2 - 2 ) 其中e 。、日。和分别是谐振腔内的电场、磁场和谐振频率，o 和f 。为空 腔时的磁导率和介电常数。 如向微波谐振腔内加一小体积，其体积为a v ，如图2 1 ( b ) 所示，微波谐 振腔受a v 微扰后腔内电磁场分布同样满足m a x w e l l 方程，即： 9 哈尔侯工程大学硕士学位论文 v x e - - j w , u o h v x e - j w z h 潞j ， i 一( 呐) 、7 _fvh=jjweoe(ar肭abv hw e e； ( 2 4 ) l - i( y 内) 、 7 其中e 、日和分别是受a v 微扰后谐振腔的电场、磁场和谐振频率。和f 为加载小体积的磁导率和介电常数。 用h ：和e ：分别点乘式( 2 - 3 ) 和( 2 4 ) 可得 h：ove。-一-jwpoh：o日h(ayv内e,h v x e j w , u h ：) ( 2 5 ) i ： - 一 ：日 ( y 内) 、一吖 巨eovh。-孵jweoeoevxh w e ee 溉： ， l 层： - j ； ( 矿内) v 用h 和e 分别点乘式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 的共轭值，可得： 日v x e ：一j 。h ：( 2 - 7 ) e v x h ：一- j t 。e e ：( 2 8 ) 将f 一( e ：v h + e v x h o ) - ( h ：v x e + h v e ：) 对体积y 积分，并 将式( 2 5 ) - ( 2 - 8 ) 带入，可得： 肌胁。皿一 俄p 一) 目。e + j a o ( 缈一) 珥日】咖 ( 2 9 ) + 肌矿【j ( 占一w o t 。) e ：e + j ( w , u 一心) 日：日 咖 、7 应用矢量公式v c 4x b ) 一b ( vx a ) 一a ( v x b ) 可把f 改写成 f - - v ( e ：xh ) 一v ( e x h o ) ，采用散度定理能够证明式( 2 9 ) 左边的积分 等于零，即： 舻。堋刚? 日) 一( e 日；) 枷( 2 - 1 0 ) 一伟【( e ；x n ) + ( e 日；) 】r i d s 一0 其中五为空载谐振腔内壁的单位法矢量，边界条件为切向电场为零，式( 2 - 1 0 ) 表明式( 2 9 ) 右边积分结果为零。 由于a v 非常小时对谐振腔扰动较小，式( 2 9 ) 右边第一项体积分限 y a v 可用v 代替； 第二项中伽- - ( d o 占。一( f 一o ) ， 1 0 于是有： - 三二( 。i e 。1 2 + 鳓1 日。1 2 dr(2-13) 其中w 是空载微波谐振腔腔中总的电磁场储能的时间