基于近场微波扫描测量材料介电常数的测量方法研究

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1、ｍ硕士学位论文：Ｉ＇丨參基于近场微波扫描测量材料介电常数的测量方法研究作者姓名单悦学校导师姓名、职称陈晓龙副教授企业导姓名、职称董士伟高工申请学位类别工程硕士＾１ＩｋＩ学校代码10701学号1504122071分类号TN82密级公开西安电子科技大学硕士学位论文基于近场微波扫描测量材料介电常数的测量方法研究作者姓名：单悦领域：仪器仪表工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：陈晓龙副教授企业导师姓名、职称：董士伟高工学院：机电工程学院提交日期：2018年5月ResearchonMeasuringMethodofDielectricCon

2、stantofMaterialsBasedonNearFieldMicrowaveScanningAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinInstrumentandMeterEngineeringByShanYueSupervisor:ChenXiaolongTitle:AssociateProfessorSupervisor:DongShiweiTitle:SeniorEngineerMay2018摘要摘要近场微波扫描显微技术被用于

3、探测癌细胞、样品表面形貌成像、测量材料的电参数等方面。它的优势在于可以突破衍射极限，超越光学显微镜的分辨率。近场微波扫描显微技术实现的过程是：利用电磁波与物质材料进行相互作用，通过测量近场内微弱的信号来反推出被测量的物质材料的本质特性，通过扫描技术可以得到物质材料每个扫描点的信息。容易发现的是：近场微波扫描显微技术的核心是探针与样品之间的相互作用关系。本文主要研究的就是近场区域内探针与样品的相互作用的关系。第一个研究点是探针发射的电磁波与样品相互作用形成的场的分布情况，第二个研究点是如何将微弱的近场信号转化为可直观测量的量以及测量原理。本文从微波探针尖端所形成的近场出发，利用准

4、静态理论，将探针针尖等效成一个带电势的金属微球，微球的半径是针尖的曲率半径。利用电磁场理论中的像电荷法，通过球面镜像法与介质平面镜像法推导出了符合近场物理模型的球面与介质平面相互作用时的电场分布。理论推导出探针发射的电磁场与样品相互作用的数学模型。其次是验证理论模型的正确性。验证主要分为两部分内容，第一部分是：用MATLAB对理论推导的数学模型进行计算并成像，第二部分是：用有限元法（电磁场数值求解方法）构造近场模型，通过软件计算得到近场电势成像，并与MATLAB中的结果相对比，互相形成印证。从而，证明了基于准静态理论研究近场内探针与样品相互作用的正确性，同时也证明了探针与样品形

5、成的近场快速衰减的特点。探针和样品的相互作用在测量中可以被等效为阻抗模型，通过理论分析可以建立起阻抗模型与样品介电常数的关系。利用近场微波扫描测量平台中利用矢量网络分析仪测得的S参数与阻抗模型之间的数学关系达到测量样品介电常数的目的。针对近场的特点，设计出了在宽频段的探针结构，通过HFSS构建出探针与样品模型，并对其加激励仿真，仿真结果对近场测量平台的测量原理进行了验证。得出结论：可以用S参数与阻抗模型之间的数学关系来模拟近场测量原理，理论计算结果与仿真结果存在一定误差，但是可以用仿真说明校准件的校准理论的正确性。关键词：微波探针，近场，像电荷法，有限元法，电磁场理论IABST

6、RACTABSTRACTNear-fieldmicrowavescanningmicroscopyisusedtodetectcancercells,surfacemorphologicalimagingofsamples,andmeasurementofelectricalparametersofmaterials.Itsadvantageisthatitcanbreakthediffractionlimitandexceedtheresolutionoftheopticalmicroscope.Thenear-fieldmicrowavescanningmicroscopy

7、implementationprocessis:usingelectromagneticwavestointeractwithmaterials,theintrinsicpropertiesofthemeasuredmaterialsareinverselyderivedbymeasuringweaksignalsinthenearfield.Eachpointofinformationcanbeobtainedbyscanningtechnology.Itiseasytofindthatt