小尺寸微波谐振腔测温仪频率特性研究

Sapphire microwave resonator thermometer is a new high precision thermometer which has better accuracy, repeatability and shock resistance, wider measurement range and low cost compared to the current industrial precision thermometer，platinum resistance thermometer for instance. However, small-scale (radius of dielectric is less than 5 mm) sapphire microwave resonator thermometer can’t satisfy the measurement demand because circumference dimension reducing of the dielectric makes higher order resonant frequency (>20 GHz) become too high and measurement accuracy decrease during minimization study which limits its application in industry. So far, researches on microwave resonator thermometer mainly focus on azimuthal components which is dependent on the circumference dimension and the problem of the small-scale microwave resonator thermometer can’t be solved. We propose to use the characteristics that longitudinal mode is independent of circumference dimension and carry out study on electromagnetic distribution rule of higher-order longitudinal mode and degenerate modes splitting. By optimization design of the cavity and dielectric and using the birefringent properties of sapphire to adjust the of splitting extend of degenerate mode to decrease the higher-order resonant frequency and increase the measurement accuracy combined with perturbation optimization of the resonator. The project can provide theoretical support and technical guidance for the industrial application of sapphire microwave resonator thermometer.

相较于目前的工业精密测温仪如铂电阻温度计，蓝宝石微波谐振腔测温仪具有测量精度高、重复性好、抗震性强、测温范围宽和成本低等优势。但小尺寸(中心介质半径<5 mm)蓝宝石微波谐振腔却无法满足实际测温要求，因为当中心介质圆周尺寸减小时，谐振频率升高，从而导致高阶谐振频率过高(>20 GHz)而难以测量和测温精度下降的问题，限制了其在工业上的广泛应用。目前，针对小尺寸微波谐振腔测温仪的研究主要是利用方位角分量实现温度测量，但该分量与圆周尺寸直接相关，仍无法解决小尺寸微波谐振腔的难题。项目提出利用纵向模式与圆周尺寸无关的特性，对高阶纵向模式电磁场分布规律和简并模式分裂规律展开研究，通过对中心介质与腔体的尺寸优化和利用蓝宝石的双折射特性调节简并模式的分裂程度，结合谐振腔内摄动因素的影响，实现小尺寸条件下降低高阶谐振频率和提高测量精度的目的，为蓝宝石微波谐振腔测温仪工业化应用研究提供理论支撑和技术指导。

温度是工业生产中主要的被测参数之一，然而目前广泛使用的工业精密测温仪如标准铂电阻温度计等却显现出易碎、抗震性差、生产周期长、价格昂贵、对测量仪表精度要求较高等缺点。基于蓝宝石的回音壁模式微波谐振腔测温仪是工业温度精确测量的一个新兴研究领域，它具有测量精度高、抗震性强、重复性好、测温范围宽和成本低等优势。项目于针对小尺寸（中心介质半径 R 介质=3 mm）蓝宝石微波谐振腔测温仪进行了研究，1）揭示了高阶纵向模式的电磁场分布规律，通过微波仿真软件对蓝宝石中心介质和腔体的几何尺寸设计与优化；揭示了纵向模式的谐振频率和品质因数随阶数 q 变化的规律。2）分析了高阶纵向模式的简并模式分裂特点，分别对蓝宝石的不同光轴方向建模分析，围绕具有较高阶数 q 的简并模式进行了研究。3）研究了方位角分量和纵向模式与光轴方向的关联，分析了简并模式分裂后两个谐振频率的品质因数变化规律和机制。4）降低谐振腔内摄动因素对品质因数的影响，分析了导体材料、加工工艺和介质损耗对品质因数的影响，围绕腔体密封性、充入气体等因素降低腔内湿度，探究了耦合方式对品质因数的影响，结合伸入长度、探针位置、环平面方向、环尺寸等实现优化。5）通过实验和理论研究了该杆状蓝宝石微波谐振腔的单一普通谐振模式、简并模对的比值以及简并模式单独作为测量依据时测温仪的精度和灵敏度等。采用谐振模式的简并模式比值作为测量依据是可行的，但是与单一模式相比（50-70 ppm/K）频率比值的灵敏度（大约为10ppm/K）比较低。实现小尺寸条件下降低高阶谐振频率和提高测量精度的目的，为蓝宝石微波谐振腔测温仪工业化应用研究提供理论支撑和技术指导。