复杂电磁媒质介电系数测量方法及实验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 复介电系数的定义
• 1.2 介电系数测量在生物医学工程中的应用与意义
• 1.3 介电系数测量在化学、化工各领域中的应用与意义
• 1.4 微波频率下介质介电系数的常用测量方法
• 1.4.1 非谐振法
• 1.4.2 谐振法
• 1.5 介电系数测量的研究进展与面临的问题
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 有机溶剂介电系数的微扰法测量
• 2.1 谐振腔微扰方法
• 2.1.1 谐振腔微扰法基本原理
• 2.1.2 有限元分析方法的数理基础
• 2.1.3 谐振腔微扰法误差分析和仿真计算
• 2.1.4 微扰法测量系统的搭建与测量的误差比较
• 2.2 有机溶剂的等效介电系数的微扰法测量
• 2.2.1 试剂与实验测试系统
• 2.2.2 测量结果
• 2.2.3 结果的讨论
• 2.2.4 总结
• 第三章 终端短路法病态问题的解决方法
• 3.1 终端短路法的基本原理
• 3.2 逆问题的描述
• 3.1.1 逆问题与病态的概念
• 3.1.2 电磁场中的逆问题
• 3.3 窄带扫频的解决方法
• 3.4 实验结果与分析
• 3.5 总结
• 第四章 测量条件对终端开路同轴线法结果的影响
• 4.1 电容模型原理分析
• 4.2 测量设备装置及测量步骤
• 4.2.1 测量系统
• 4.2.2 测量步骤
• 4.3 实验测量与数据分析
• 4.4 总结
• 第五章 基于GA和开槽同轴线的溶液介电系数测量方法研究
• 5.1 遗传算法
• 5.2 遗传算法与数值仿真结合的算法
• 5.3 测量模型
• 5.4 正问题的计算
• 5.5 逆问题的计算
• 5.6 结果与讨论
• 5.6.1 测量结果
• 5.6.2 误差分析
• 5.7 总结
• 第六章 二元混合化学溶剂的介电系数新特性的研究
• 6.1 测量实验与方法
• 6.2 有机二元体系等效介电系数的测量结果
• 6.3 几种介质混和理论公式的比较
• 6.4 总结
• 第七章 二元体系介电系数经典混合理论分析
• 7.1 经典混合物模型
• 7.1.1 均匀场和Maxwell Garnett原理
• 7.1.2 椭球模型与去极化因子
• 7.1.3 Bruggeman方程
• 7.1.4 Coherent potential方程
• 7.2 混合理论的统一
• 7.2.1 球型模型的统一规律
• 7.2.2 椭球模型的统一规律
• 7.3 几种介质混合理论公式数值计算结果与讨论
• 7.3.1 球状模型计算值与测量值比较
• 7.3.2 分子三维模型结构与参数
• 7.3.3 椭球状模型计算值与测量值比较
• 7.4 结果与分析
• 7.5 总结
• 第八章 液相化学反应过程中介电系数的跟踪测量
• 8.1 实验的原理与步骤
• 8.1.1 碘化钾还原反应原理和实验方法
• 8.1.2 高锰酸钾还原反应原理和实验方法
• 8.2 反应体系介电系数的谐振腔微扰法测量
• 8.2.1 测量装置
• 8.2.2 测量步骤
• 8.2.3 数据分析与讨论
• 8.2.4 小结
• 8.3 反应体系介电系数的同轴线终端开路法测量
• 8.3.1 测量系统
• 8.3.2 测量步骤
• 8.3.3 数据记录
• 8.3.4 数据分析与讨论
• 8.4 总结
• 第九章 液相化学反应过程中介电系数经验计算公式的改进
• 9.1 液相化学反应过程中的等效介电系数计算的经验公式
• 9.2 改进后介电系数的计算方法
• 9.3 插值计算结果比较
• 9.4 总结
• 第十章 总结与展望
• 10.1 本文总结
• 10.2 后期工作的展望
• 参考文献
• 符号说明
• 攻读博士学位期间的主要成果和论文
• 致谢