开端同轴线法如何测量介电常数

开端同轴线测量方法是一种很成熟的介电常数测量方法。用同轴线测量介电常数的方法有很多不同的结构，但开端方法是其中最一简单、最容易操作的一种。在过去的几十年里，已经有不少研究人员对开端同轴线方法进行了大量的研究。开端同轴线测量方法的最大的优点是无损测量,可以用于液体、半固体(软体样品)的测量。因此，这种方法可以用于测量生物样品。测量生物样品的一个重要应用就是用于研究电磁波对生物体的作用机制，从而一方面控制有害的生物电磁效应，另一方面，可以利用有益的生物电磁效应。

基本原理

电容模型

通常，开端同轴线测量方法是与矢量网络分析仪一同使用的。矢量网络分析仪的作用是记录与频率有关的复反射系数。所以,在实际的操作过程中，整个系统都要进行校准工作，使得测量能够将参考平面设置在测量端，也就是开端同轴线的末端。而后，被测量物的介电常数则由复反射系数得到。下图是利用开端同轴线测量介电常数的结构示意图。

在实际的情形中，开端同轴线可以等效成下图的电路模型。在图中a和b分别为同轴线的内导体及外导体的半径。在等效电路中，Z或Cf代表与测量介电常数无关的阻抗分量，也就是边缘场效应所引起的阻抗；Z(er)是传输线的末端阻抗，实际上就是由被测介质引起的阻抗；C(er)=C0er，是有耗电容，也就是代表被测介质引起的电容；C0是传输线位于空气中时的电容。因此,传输线实际上是一个传感器的功能。而被测介质在测量过程中理论上是无穷大的,并且是均匀的。但在实际过程中，被测介质不可能是无穷大的，而是要求在有限的范围内。因此,由边缘场效应引起的对反射系数的影响不可以忽略。

该等效电路的合理工作频率范围由两个条件所确定：①传输线的横截面尺寸与波长相比较小，以保证传输线的末端没有强辐射，也就是保证大部分的能量集中在传输线的末端；②同时要求样品的体积足够大，使得边缘场不被影响，也就是边缘场能等效成G。这两个条件中，前一个条件规定了工作频率的上限，而后一个条件则规定了工作频率的下限。另外，还有一个次要条件，就是随着频率的升高而增大，这是由于在倏逝波中激发了TM模式。整体而言，该等效电路的合理工作频率范围主要是由上述条件所限定的。