開端同軸線法如何測量介電常數

開端同軸線測量方法是一種很成熟的介電常數測量方法。用同軸線測量介電常數的方法有很多不同的結構，但開端方法是其中最一簡單、最容易操作的一種。在過去的幾十年里，已經有不少研究人員對開端同軸線方法進行了大量的研究。開端同軸線測量方法的最大的優點是無損測量,可以用于液體、半固體(軟體樣品)的測量。因此，這種方法可以用于測量生物樣品。測量生物樣品的一個重要應用就是用于研究電磁波對生物體的作用機制，從而一方面控制有害的生物電磁效應，另一方面，可以利用有益的生物電磁效應。

基本原理

電容模型

通常，開端同軸線測量方法是與矢量網絡分析儀一同使用的。矢量網絡分析儀的作用是記錄與頻率有關的復反射系數。所以,在實際的操作過程中，整個系統都要進行校準工作，使得測量能夠將參考平面設置在測量端，也就是開端同軸線的末端。而后，被測量物的介電常數則由復反射系數得到。下圖是利用開端同軸線測量介電常數的結構示意圖。

在實際的情形中，開端同軸線可以等效成下圖的電路模型。在圖中a和b分別為同軸線的內導體及外導體的半徑。在等效電路中，Z或Cf代表與測量介電常數無關的阻抗分量，也就是邊緣場效應所引起的阻抗；Z(er)是傳輸線的末端阻抗，實際上就是由被測介質引起的阻抗；C(er)=C0er，是有耗電容，也就是代表被測介質引起的電容；C0是傳輸線位于空氣中時的電容。因此,傳輸線實際上是一個傳感器的功能。而被測介質在測量過程中理論上是無窮大的,并且是均勻的。但在實際過程中，被測介質不可能是無窮大的，而是要求在有限的范圍內。因此,由邊緣場效應引起的對反射系數的影響不可以忽略。

該等效電路的合理工作頻率范圍由兩個條件所確定：①傳輸線的橫截面尺寸與波長相比較小，以保證傳輸線的末端沒有強輻射，也就是保證大部分的能量集中在傳輸線的末端；②同時要求樣品的體積足夠大，使得邊緣場不被影響，也就是邊緣場能等效成G。這兩個條件中，前一個條件規定了工作頻率的上限，而后一個條件則規定了工作頻率的下限。另外，還有一個次要條件，就是隨著頻率的升高而增大，這是由于在倏逝波中激發了TM模式。整體而言，該等效電路的合理工作頻率范圍主要是由上述條件所限定的。