一腔多模动态扫频法测量生物材料介电特性

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1、一腔多模动态扫频法测量生物材料介电特基金项目：国家自然科学基金资助项目（30470429）作者简介：卢智远（1953-），男，教授，硕士，研究方向为电磁场与微波测量、电磁生物医学工程，E-mail：zylu@mail.xidian.edu.cn文章编号：0258-2724（2013）03-0467-06D0I:10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.012摘要：物质介电特性的无损检测需要多次测量，而每次测量需要重新调试测试系统，这样就使得测量效率降低而成本增加本研究依据谐

2、振腔微扰法理论，设计了电磁分离的实验测试系统.在该系统中，选取了TElOp（p取奇数）谐振腔谐振模式，采用一腔多模动态扫频法，对多种树木的介电常数和损耗进行了测量计算.该测量方法在同一时间，可以同时测得树木在3个不同频率下的介电常数和损耗特性，极大地减少了单频多次测量过程中调谐腔体尺寸所引起的误差.用该方法对聚四氟乙烯材料的介电常数反复的测量验证，测量误差均小于1%.关键词：微扰法；一腔多模；动态扫描；介电特性检测中图分类号：TM931文献标志码：A近年来，随着材料制造业的快速发展，许多新材料被广

3、泛用于军事、医学和航空航天等领域.研究和测量材料的介电性能参数具有十分重要的意义[1].由于电磁波对物质特性的非电量测量具有快速、无损的优点，利用微波测量材料介电常数和磁导率的技术被广泛应用，测量范围涉及到军事、工业、农业、食品、医学和生命科学的各个领域.生物体的介电性能参数对于农业、医学和生命科学等相关研究具有十分重要的意义.在生物体内，各种酶的活性中心与介电性能参数有着密切的关系，介电特性直接影响着生物的生理、生长、代谢循环等功能.对于植物和树木的介电特性测量与研究，国内外相关刊物已有报导[2

4、-6].微波对物质介电特性的无损检测在材料制造、武器装备、工农业生产中得到了广泛的应用，而微波谐振腔微扰法检测具有测量精度高，操作简单等优点，成为了无损检测的热点[7-9].目前，绝大多数的谐振腔微扰法检测仅是在单一电磁波频率下的测量，要得到物质在其他频率下的介电特性，需要变化频率，重新调配测量系统，调谐谐振腔.这样不但操作繁琐还会降低测量精度.植物的介电常数与磁导率是电磁波频率的函数，如何在不同频率下快速、准确地检测材料的介电特性，一直是电子检测技术的热门话题.本研究应用现代网络扫频技术，采用一

5、腔多模动态扫频法对多种树木的介电特性和引起的介质损耗情况进行非电量无损测量.该方法可以一次测量试验样品（树木）在多个谐振频率的介电特性参数，测量结果可为农业与生物医学相关的人员研究树木的生长、年龄及代谢功能等方面的研究提供技术参考资料.1微扰法检测原理2一腔多模检测法3实验系统与方法4结果与讨论由表3可知，随着频率的增大，树木的介电常数逐渐减小，而损耗逐渐增大.结果表明，树木种类不同，介电常数不同；树木种类相同但品种不同，介电常数也不相同；同一种类树木的老枝和新枝，介电常数也存在差异.各种树木的相

6、对介电常数大约在3.0左右浮动，差异不大.只有樱桃的相对介电常数约为4.24，比较高，垂柳仅为2.13，比较低.一般说来，生长较慢且耐旱的树木介电常数相对较高，生长较快且耐旱性能差的树木介电常数相对较低.该检测方法具有快速、操作方便、测量精度高的优点.研究结果对于植物和生命科学的生物电方面的研究具有一定的参考价值，该研究方法同样也可用于其他材料在不同频率下的介电特性的快速测量.参考文献：[1]周清一.微波测量技术[M].北京：国防工业出版社，1980:286.[2]SHRESTHABL，WOODH

7、C,SOKHANSANJS.Modelingofvegetationpermittivityatmicrowavefrequencies[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2007，45(2)：342-348.[3]任新成，郭立新.一维带限Weierstrass分形粗糙透射波散射系数特征研究[J].西安电子科技大学学报，2007,34(4)：590-595.RENXincheng，GUOLixin.Investigationofchar

8、acteristicsoftransmissioncoefficientfromthe1-Dband-limitedWeierstrassfractalroughsurface[J].JournalofXidianUniversity,2007，34(4)：590-595.[4]SHIJiancheng,CHENKS.Applicationsoftheintegralequationmodelinmicrowaveremotesensingoflandsurfaceparamete