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網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法
  • 發(fā)布日期:2024-08-22      瀏覽次數(shù):124
    • 一、介電常數(shù)介紹


             自然界中大多數(shù)物質(zhì)在微波波段都呈現(xiàn)為有損耗的絕緣體,稱之為電介質(zhì),簡稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場的作用下都會發(fā)生極化現(xiàn)象,即介質(zhì)在外加電場的作用下其內(nèi)部的正負(fù)電荷向著相反方向發(fā)生微小位移,從而產(chǎn)生許多電偶極矩。介質(zhì)極化后在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)極化電場,這個(gè)電場的方向與外加電磁場的方向相反,大小與介質(zhì)的極化程度、物質(zhì)成分和物理狀態(tài),外界溫度頻率等有關(guān)。介質(zhì)的介電常數(shù)定義為電通量D與外加電場強(qiáng)度E的比值,是一個(gè)用來衡量介質(zhì)中的電荷在外加電磁場作用下發(fā)生極化后的分布情況的一個(gè)常量。


      ● 物質(zhì)在靜電場中(無電磁波時(shí))的介電常數(shù)是一個(gè)標(biāo)量,實(shí)數(shù)

      ● 物質(zhì)在交變電場中(有電磁波時(shí))的介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù),如下式:


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             介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗(通常以熱能形式損耗),實(shí)部反映波傳播時(shí)狀態(tài)的改變,如相位,相速,波阻抗等的改變。


             常見的描述介電常數(shù)特性的還有一個(gè)參數(shù),叫損耗角正切。當(dāng)我們在矢量圖中描述復(fù)介電常數(shù)時(shí),其實(shí)部和虛部呈90°正交關(guān)系,二者的矢量和與實(shí)軸形成一個(gè)夾角,我們把這個(gè)夾角δ稱為損耗角,這個(gè)角的正切值稱為損耗角正切,它等于介電常數(shù)定義中虛部和實(shí)部的比值。損耗角正切還有一個(gè)常用的名稱——損耗因數(shù)(Df),它等于品質(zhì)因數(shù)的相反數(shù)。其物理含義是在一個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損失的能量和貯存能量的比值。



             介電常數(shù)是一個(gè)由本身性質(zhì)和外界環(huán)境共同決定的反映介質(zhì)電特性的物理量。宏觀上反映介質(zhì)對電磁波輻射,散射,反射,吸收,傳輸?shù)忍匦裕⒂^上反映物質(zhì)內(nèi)部化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)。通過它將介質(zhì)極化的宏觀現(xiàn)象和介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。


             介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì),對介電常數(shù)的研究有重要的理論和應(yīng)用意義。今時(shí)今日,電氣工程中的電介質(zhì)問題、電磁兼容問題、生物醫(yī)學(xué)、微波、電子技術(shù)、食品加工和地質(zhì)勘探中,無一不利用到物質(zhì)的介電特性,比如在日趨復(fù)雜的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中,大量的新材料被廣泛的應(yīng)用到各種電子系統(tǒng)中。作為介質(zhì)材料被應(yīng)用的場景很多,例如PCB的基板材料、天線的天線罩、大功率真空器件使用的陶瓷材料、液晶材料等。正因此,對介電常數(shù)的準(zhǔn)確測量也提出了要求。目前對介電常數(shù)測量方法的應(yīng)用可以說遍及民用、工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。典型的應(yīng)用場景如下表所示:


      介電常數(shù)測量典型應(yīng)用


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             在這些應(yīng)用場景中,用戶需要對材料的電氣性能,尤其是作為介質(zhì)的電氣性能有足夠準(zhǔn)確的評估和認(rèn)識,以便縮短設(shè)計(jì)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量。這些性能由一組介電性能參數(shù)來描述。通過對介質(zhì)材料的介電性能進(jìn)行準(zhǔn)確測量,可以為研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)場景提供一手的數(shù)據(jù),以便優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善工藝。


      二、測試方法


             目前測量介電常數(shù)常用的方法主要有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法、諧振腔法、平行板電容法、同軸探頭法等等。每種測試方法都有自己的適用范圍,并沒有一種能夠適用所有場景的通用方法,因此需要根據(jù)以下特性選擇合適的測試方法:


      ★ 測試頻率范圍

      ★ 期望測試的εr值范圍

      ★ 期望達(dá)到的測試精度

      ★ 材料的形式 (液體、粉末、固體)

      ★ 被測件尺寸

      ★ 被測件是否可破壞

      ★ 被測件是否可直接接觸

      ★ 測試溫度等


             本文主要介紹常用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法。

      1、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法

             將樣品及傳感器視為一個(gè)單端口或雙端口網(wǎng)絡(luò),利用時(shí)域法、傳輸/反射法、多厚度法、多狀態(tài)法、自由空間法等測試出其表征網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù),通常是散射參數(shù)或復(fù)反射系數(shù),據(jù)此推出材料的復(fù)介電常數(shù)及復(fù)磁導(dǎo)率。


      2、諧振腔法

             將材料樣品分別置于一個(gè)封閉或開放式諧振腔中電場強(qiáng)和電磁場強(qiáng)處,利用樣品放置前后對腔體電磁參場結(jié)構(gòu)的改變,通過測試腔體的品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率的變化,從而推算出材料的電磁參數(shù)。


             這兩種不同的介電常數(shù)測量方法適用于不同的場景,具體可參考下表:


      網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法比較


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      三、測試指標(biāo)

             針對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法,又可細(xì)分為許多方法。比如從網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法衍生出的傳輸反射法、自由空間法、終端短路法;從諧振法衍生出的微擾法、諧振腔法,準(zhǔn)光腔法等。以下對具體的測試方法和指標(biāo)進(jìn)行說明。


      3.1  網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法>>>

      3.1.1傳輸反射法

             測試方法:將測試材料制作而成的待測樣品均勻填充于波導(dǎo)、同軸線等標(biāo)準(zhǔn)傳輸線內(nèi),或者將待測樣品制作成微帶線、共面波導(dǎo)等微波傳輸線,構(gòu)成一個(gè)互易雙端口網(wǎng)絡(luò),通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量出該雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型即可計(jì)算出被測樣品的電磁參數(shù)。


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      測試指標(biāo):

      ? 測試頻率:0.5~40GHz

      ?測試范圍:

      ◆ 介電常數(shù)εr:2.0~100

      ◆ 電損耗角正切tanδ:0.1~10.0


      3.1.2自由空間法

             自由空間法是傳輸/反射法的一個(gè)特例。它直接將傳輸路徑簡化為自由空間。自由空間的樣品安裝方便,克服了閉場域下的同軸線法及其矩形波導(dǎo)法中的配合間隙問題。它利用微波天線作為電磁波收發(fā)裝置,測試時(shí)待測材料應(yīng)放在天線的遠(yuǎn)場處,根據(jù)測試需要,可通過模式轉(zhuǎn)換器對波型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,波照射到待測樣品上會發(fā)生反射和透射,通過收發(fā)天線分別接收這些反射和透射信號,然后根據(jù)自由空間法的物理模型計(jì)算得到待測材料的復(fù)電磁參數(shù)。


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      測試指標(biāo):

      ? 測試頻率:2~18GHz

      ?測試范圍:

      ◆ 介電常數(shù)εr:2.0~100

      ◆ 電損耗角正切tanδ:>0.1


      3.1.3終端短路法

             該測試方法將待測樣品放在終端短路的微波傳輸系統(tǒng)中,作為傳輸系統(tǒng)的一部分通過測量填充材料后波量的偏移和駐波計(jì)算出材料的復(fù)介電常數(shù)。


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      測試指標(biāo):

      ? 測試頻率:0.5~40GHz

      ?測試范圍:

      ◆ 介電常數(shù)εr:2.0~15

      ◆ 電損耗角正切tanδ:0.001~2.0


      3.1.4網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法總結(jié)


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      3.2、諧振法>>>

      3.2.1傳輸線諧振器法

             測試方法:將待測樣品制作成微波傳輸線諧振器,如帶狀線,微帶線,共面波導(dǎo)等,然后測量該傳輸線諧振器的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù),就能夠根據(jù)傳輸線理論得到材料的復(fù)介電常數(shù)。


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      測試指標(biāo):

      ? 測試頻率:1.0~10.0GHz

      ?測試范圍:

      ◆ 介電常數(shù)εr:1.5~20

      ◆ 電損耗角正切tanδ:5×10-4~ 1×10-2


      3.2.2諧振腔法

             測試方法:將介質(zhì)放在各種微波諧振腔內(nèi),得到加載樣品前后腔體的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù),由嚴(yán)格的電磁場理論分析求解出待測樣品的復(fù)介電常數(shù),該方法的測試精度很高。


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      測試指標(biāo):

      ? 測試頻率:8.5 ~ 18GHz,18 ~ 40GHz

      ?測試范圍:

      ◆ 介電常數(shù)εr:1.25~12

      ◆ 電損耗角正切tanδ:1×10-2~ 5×10-5


      3.2.3準(zhǔn)光腔法

             測試方法:由不同曲率半徑的凹球面鏡構(gòu)成,屬于開式諧振腔,是光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)在微波,毫米波頻段的延伸,諧振頻率較高,主要用于毫米波頻段的介質(zhì)參數(shù)測試。


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      測試指標(biāo):

      ? 測試頻率:18~100GHz

      ?測試范圍:

      ◆ 介電常數(shù)εr:1.0~10

      ◆ 電損耗角正切tanδ:1×10-4~ 5×10-3


      3.2.4諧振法總結(jié)


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      四、典型配置

             從網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法的測試框圖中可以看出,無論哪種測試方法,其核心都是網(wǎng)絡(luò)分析儀。選擇不同的測試方法,會有不同的夾具配置和軟件配置。下面基于傳輸線諧振器法給出典型配置表:


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      五、附錄—網(wǎng)絡(luò)分析儀

             使用成都玖錦基于自主知識產(chǎn)權(quán)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA1000A,結(jié)合相應(yīng)的測試夾具和測試軟件,就能夠?yàn)榭蛻籼峁┩暾慕殡姵?shù)測量解決方案。使用傳輸反射法測量介電常數(shù):


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


             VNA1000A是一款高性能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,具有優(yōu)良的測試動(dòng)態(tài)范圍、分析帶寬、相位噪聲、幅度精度和測試速度;該設(shè)備提供單端口、響應(yīng)隔離、增強(qiáng)型響應(yīng)、全雙端口等多種校準(zhǔn)方式,內(nèi)設(shè)對數(shù)幅度、線性幅度、駐波、相位、群時(shí)延、Smith圓圖、極坐標(biāo)等多種顯示格式,外配USB、LAN、GPIB、VGA等多種標(biāo)準(zhǔn)接口,具有傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全部測量功能,能精準(zhǔn)測量微波網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性、相頻特性和群時(shí)延特性。


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      1)  四個(gè)內(nèi)部相位相參信號源,八個(gè)真正并行測量的接收機(jī):

             VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組合了四個(gè)內(nèi)置的相位相參信號源及八個(gè)真正并行測量的接收機(jī),可以提供高達(dá)50GHz的四端口解決方案。一次連接可完成幾乎所有的線性測試和非線性測試,為進(jìn)行廣泛的測量提供了強(qiáng)大的硬件支撐。


      2)   高動(dòng)態(tài)范圍:120dB(典型值),跡線噪聲優(yōu)于0.001dB,測量精度高:

             VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用混頻接收的設(shè)計(jì)理念,有效的擴(kuò)展了整機(jī)的測試動(dòng)態(tài)范圍,以滿足您對大動(dòng)態(tài)范圍的測試需求;優(yōu)異的跡線噪聲指標(biāo)極大地提高了整機(jī)的測試精度,可滿足用戶精準(zhǔn)測量的需要,特別有助于小插損器件的精準(zhǔn)測量。


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      3)  校準(zhǔn)類型靈活可選,兼容多種校準(zhǔn)件:

             VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可使用機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行直通響應(yīng)校準(zhǔn)、直通響應(yīng)與隔離校準(zhǔn)、單端口校準(zhǔn)、增強(qiáng)型響應(yīng)校準(zhǔn)、全雙端口TOSM校準(zhǔn)、TRL校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)類型,可根據(jù)實(shí)際測試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準(zhǔn)件,方便不同接口類型器件的測試。


      網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料介電常數(shù)的方法


      4)  支持多窗口、多通道測量,快速執(zhí)行復(fù)雜測試方案:

             VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有多通道和多窗口顯示功能,多支持64個(gè)通道,多可同時(shí)顯示32個(gè)測量窗口,每個(gè)窗口多可同時(shí)顯示20條測試軌跡,具有對數(shù)幅度、線性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式,使觀測結(jié)果更加直觀,用戶使用方便。


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      5)  外設(shè)接口豐富,靈活實(shí)用:

             VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用兼容PC的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和Windows操作系統(tǒng)組成的軟硬件平臺,實(shí)現(xiàn)了測試儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)結(jié)合。用戶可以利用豐富的I/O接口(包括GPIB、USB和LAN等)來完成數(shù)據(jù)通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點(diǎn)觸控顯示屏,人性化用戶界面簡潔直觀,便于操作,可提高測試效率。


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