(實(shí)驗(yàn)室裝置)波導(dǎo)法測(cè)量介電常數(shù)--

1、精選課件波導(dǎo)傳輸波導(dǎo)傳輸/ /反射法反射法測(cè)量測(cè)量介質(zhì)介電常數(shù)介質(zhì)介電常數(shù)精選課件v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(jiǎn)稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場(chǎng)的絕緣體，稱之為電介質(zhì)，簡(jiǎn)稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下都會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作作用下都會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質(zhì)在外加電場(chǎng)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，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)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(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的方向與外加電磁場(chǎng)的生一個(gè)極化電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的方

2、向與外加電磁場(chǎng)的方向相反，大小與介質(zhì)的極化程度、物質(zhì)成分和物方向相反，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)。理狀態(tài)，外界溫度頻率等有關(guān)。v介質(zhì)的介電常數(shù)定義為電通量介質(zhì)的介電常數(shù)定義為電通量D D與外加電場(chǎng)強(qiáng)度與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E E的的比值，是一個(gè)用來(lái)衡量介質(zhì)中的電荷在外加電磁場(chǎng)比值，是一個(gè)用來(lái)衡量介質(zhì)中的電荷在外加電磁場(chǎng)作用下發(fā)生極化后的分布情況的一個(gè)常量作用下發(fā)生極化后的分布情況的一個(gè)常量 介電常數(shù)介電常數(shù)精選課件 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(duì)電磁波輻射，散射，反射，吸收，傳輸?shù)忍匦?，微觀上反映物質(zhì)內(nèi)部化學(xué)和物

3、理結(jié)構(gòu)。 通過(guò)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(lái)。精選課件l物質(zhì)在靜電場(chǎng)中（無(wú)電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一物質(zhì)在靜電場(chǎng)中（無(wú)電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一個(gè)標(biāo)量，實(shí)數(shù)個(gè)標(biāo)量，實(shí)數(shù) l物質(zhì)在交變電場(chǎng)中（有電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是物質(zhì)在交變電場(chǎng)中（有電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)一個(gè)復(fù)數(shù) 介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗，實(shí)部反映波介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗，實(shí)部反映波傳播時(shí)狀態(tài)的改變，如相位，相速，波阻抗等的傳播時(shí)狀態(tài)的改變，如相位，相速，波阻抗等的改變。改變。j精選課件介電常數(shù)測(cè)量方法介電常數(shù)測(cè)量方法v傳輸線法如波導(dǎo)法，同軸線，帶狀線傳輸線法如波導(dǎo)法，同軸線，帶狀線 將被測(cè)介質(zhì)作為傳輸線的一

4、部分，測(cè)量將被測(cè)介質(zhì)作為傳輸線的一部分，測(cè)量負(fù)載（被測(cè)介質(zhì)）在傳輸線（傳輸系統(tǒng)）上負(fù)載（被測(cè)介質(zhì)）在傳輸線（傳輸系統(tǒng)）上的行駐波分布，測(cè)量其駐波系數(shù)，波節(jié)點(diǎn)位的行駐波分布，測(cè)量其駐波系數(shù)，波節(jié)點(diǎn)位置（相位），以此計(jì)算負(fù)載的反射系數(shù)，阻置（相位），以此計(jì)算負(fù)載的反射系數(shù)，阻抗，網(wǎng)絡(luò)參量等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其介電常數(shù)的反抗，網(wǎng)絡(luò)參量等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其介電常數(shù)的反演演 精選課件v諧振腔法將被測(cè)介質(zhì)放入諧振腔中，諧振腔法將被測(cè)介質(zhì)放入諧振腔中，引起諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化，其測(cè)得引起諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化，其測(cè)得的變化值與介質(zhì)的介電常數(shù)有定量關(guān)系的變化值與介質(zhì)的介電常數(shù)有定量關(guān)系 v自由空間波法光學(xué)方法。通過(guò)測(cè)量介

5、質(zhì)的折射率，得到其與介電常數(shù)的定量關(guān)系。精選課件波導(dǎo)傳輸波導(dǎo)傳輸/ /反射法反射法vNRWNRW傳輸傳輸/ /反射法：將待測(cè)樣品作為二端口網(wǎng)絡(luò)，測(cè)反射法：將待測(cè)樣品作為二端口網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)端口的量?jī)蓚€(gè)端口的s s參數(shù)，即參數(shù)，即s11s11，s21,s22s21,s22，s12s12，然后，然后根據(jù)測(cè)得的根據(jù)測(cè)得的s s參數(shù)算出介質(zhì)的介電常數(shù)參數(shù)算出介質(zhì)的介電常數(shù)v該可以方法測(cè)量介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)，適應(yīng)于同軸和波該可以方法測(cè)量介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)，適應(yīng)于同軸和波導(dǎo)系統(tǒng)，采用同軸線時(shí)傳輸波為導(dǎo)系統(tǒng)，采用同軸線時(shí)傳輸波為TEMTEM波，而波導(dǎo)系波，而波導(dǎo)系統(tǒng)中傳輸?shù)氖墙y(tǒng)中傳輸?shù)氖荰ETE1010波。波。v該

6、方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且具有較的高精度，然而，該該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且具有較的高精度，然而，該方法存在厚度諧振，多值，以及不易測(cè)量極薄材料方法存在厚度諧振，多值，以及不易測(cè)量極薄材料等問(wèn)題等問(wèn)題 。精選課件精選課件Coaxial ConverterWaveguideCoaxialVector Network Analyzers Wave-guide method dielectric constant measuring system精選課件The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system精選課件l 同軸線校

7、準(zhǔn)同軸線校準(zhǔn)l 同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)精選課件一一. .矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸線校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸線校準(zhǔn)v打開(kāi)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置好掃描頻率（24G），點(diǎn)數(shù)（801），掃描時(shí)間（6ms） v為了將測(cè)量的二端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)校準(zhǔn)到同軸線的端口，要先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的標(biāo)準(zhǔn)件（開(kāi)路器，短路器，匹配負(fù)載，直通）和自帶的校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)精選課件二二. .同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)為了將同軸線兩端口的散射參數(shù)校準(zhǔn)到測(cè)量波導(dǎo)的兩為了將同軸線兩端口的散射參數(shù)校準(zhǔn)到測(cè)量波導(dǎo)的兩個(gè)端面，需要進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件和自己編寫的校準(zhǔn)程序進(jìn)個(gè)端面，需要進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件和自己編寫的校準(zhǔn)程序進(jìn)行同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)行同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)v將兩轉(zhuǎn)換頭波導(dǎo)

8、口對(duì)接：記錄此時(shí)的將兩轉(zhuǎn)換頭波導(dǎo)口對(duì)接：記錄此時(shí)的s s參數(shù)，記錄為參數(shù)，記錄為thru.s2pthru.s2pv在轉(zhuǎn)換頭波導(dǎo)口接上短路板：記錄此時(shí)的在轉(zhuǎn)換頭波導(dǎo)口接上短路板：記錄此時(shí)的s s參數(shù)，記參數(shù)，記錄為錄為short.s2pshort.s2pv將校準(zhǔn)用波導(dǎo)接在兩轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時(shí)的將校準(zhǔn)用波導(dǎo)接在兩轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時(shí)的s s參數(shù)，參數(shù)，記錄為記錄為line.s2pline.s2pv將需要測(cè)量的對(duì)象接在轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時(shí)的將需要測(cè)量的對(duì)象接在轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時(shí)的s s參參數(shù)數(shù) v導(dǎo)入校準(zhǔn)程序，得到測(cè)量波導(dǎo)兩個(gè)端面的導(dǎo)入校準(zhǔn)程序，得到測(cè)量波導(dǎo)兩個(gè)端面的s s參數(shù)參數(shù)精選課件精選課

9、件樣品端面樣品端面S S參數(shù)到介電常數(shù)的計(jì)算參數(shù)到介電常數(shù)的計(jì)算22112221122222(1)(1)11cddccdcdTTssssTT 表示待測(cè)樣品的傳輸系數(shù)表示待測(cè)樣品的傳輸系數(shù) 表示待測(cè)樣品的反射系數(shù)表示待測(cè)樣品的反射系數(shù) s s1111、s s2222、s s2121、s s1212表示待測(cè)樣品的表示待測(cè)樣品的s s參數(shù)參數(shù) dTc精選課件推導(dǎo)一推導(dǎo)一 ：介電常數(shù)一：介電常數(shù)一011cccczzz2222221121112111111111222cccssssKKKss 220021|()1 () cr zccczZcZc，Z Z0 0分別表示樣品和空氣的特征阻抗；分別表示樣品和空

10、氣的特征阻抗； 表示波導(dǎo)的截止表示波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)，只與波導(dǎo)尺寸和傳輸波型相波長(zhǎng)，只與波導(dǎo)尺寸和傳輸波型相關(guān)關(guān) ； 表示空氣中的工作波長(zhǎng)，表示空氣中的工作波長(zhǎng)， ；c c為光速常數(shù)；為光速常數(shù)； c222/()2/(/ )( / )ccmnkm an b00/cf精選課件v厚度諧振問(wèn)題：對(duì)于某些頻點(diǎn)，即樣品長(zhǎng)度正好厚度諧振問(wèn)題：對(duì)于某些頻點(diǎn)，即樣品長(zhǎng)度正好是半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。是半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。 S S1111- 0- 0，K K值具有極值具有極大不確定性，大不確定性， 產(chǎn)生尖峰，即厚度諧振，為不確產(chǎn)生尖峰，即厚度諧振，為不確定值，需要去除。定值，需要去除。r精選課件推導(dǎo)二：介電常數(shù)二推

11、導(dǎo)二：介電常數(shù)二11ln( )ln( )(2 )(0,1 ,2 )cdTTjnnll 22200|()()2crcc 2222222111211121211111222jdddTssssMTMMTesTs 表示樣品段傳播常數(shù)。表示樣品段傳播常數(shù)。 多值問(wèn)題：由于多值問(wèn)題：由于n n可能取多個(gè)不同的值，可能取多個(gè)不同的值， 值存在多值存在多個(gè)值，因而得到的介電常數(shù)可能存在多值。個(gè)值，因而得到的介電常數(shù)可能存在多值。cc精選課件厚度諧振和多值問(wèn)題的解決厚度諧振和多值問(wèn)題的解決v結(jié)合兩個(gè)推導(dǎo)公式分別計(jì)算介電常數(shù)一（有厚度諧結(jié)合兩個(gè)推導(dǎo)公式分別計(jì)算介電常數(shù)一（有厚度諧振但是無(wú)多值問(wèn)題），介電常數(shù)二（有

12、多值問(wèn)題但振但是無(wú)多值問(wèn)題），介電常數(shù)二（有多值問(wèn)題但是無(wú)厚度諧振）。將介電常數(shù)二與介電常數(shù)一進(jìn)行是無(wú)厚度諧振）。將介電常數(shù)二與介電常數(shù)一進(jìn)行比較，選取介電常數(shù)二中與介電常數(shù)一值范圍相近比較，選取介電常數(shù)二中與介電常數(shù)一值范圍相近值為正確值。所得到的結(jié)果既避免了多值問(wèn)題又避值為正確值。所得到的結(jié)果既避免了多值問(wèn)題又避免了厚度諧振問(wèn)題免了厚度諧振問(wèn)題精選課件2.62.833.23.43.63.84-0.500.511.522.533.544.5頻 率 （ GHz）介電常數(shù)相 對(duì) 介 電 常 數(shù) 計(jì) 算 2干土的介電常數(shù)干土的介電常數(shù)精選課件誤差分析及校正誤差分析及校正v定位誤差定位誤差 信號(hào)傳輸

13、方向上存在空氣段信號(hào)傳輸方向上存在空氣段精選課件v 定位誤差的校準(zhǔn)定位誤差的校準(zhǔn)波導(dǎo)口處的波導(dǎo)口處的s s參數(shù)為參數(shù)為 ，樣品兩端面的，樣品兩端面的s s參數(shù)為參數(shù)為 11121222 s sSs s11122122 s sSs s0 10120120 22()1112()22122 llllllseseSsese 為空氣段波導(dǎo)的傳播常數(shù)，放樣品的波導(dǎo)總長(zhǎng)度為為空氣段波導(dǎo)的傳播常數(shù)，放樣品的波導(dǎo)總長(zhǎng)度為l l，樣，樣品厚度為品厚度為d d，l1l1和和l2l2分別為兩個(gè)測(cè)量端面到樣品位置的長(zhǎng)度，分別為兩個(gè)測(cè)量端面到樣品位置的長(zhǎng)度，一般情況都將空波導(dǎo)當(dāng)作是理想傳輸線，即只存在相位的變一般情況都將

14、空波導(dǎo)當(dāng)作是理想傳輸線，即只存在相位的變化，而不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減化，而不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減0精選課件v電長(zhǎng)度l1和l2的計(jì)算 A為 和 的相位差 22s11s0212012102()4224AldAlllldAldlll 精選課件v間隙誤差間隙誤差 波導(dǎo)壁存在空氣隙波導(dǎo)壁存在空氣隙 校正公式為校正公式為 其中其中 是由測(cè)量數(shù)據(jù)中直接推導(dǎo)出來(lái)的值，是由測(cè)量數(shù)據(jù)中直接推導(dǎo)出來(lái)的值， 表示修正以表示修正以后的數(shù)值。后的數(shù)值。 表示窄邊樣品的高度，表示窄邊樣品的高度， 表示波導(dǎo)窄邊高度表示波導(dǎo)窄邊高度與樣品高度的差。與樣品高度的差。 1rmrrmbbbb rmrbb精選課件小小 結(jié)結(jié)v頻率，掃描點(diǎn)數(shù)，掃描時(shí)間設(shè)置頻率，掃描點(diǎn)數(shù)，掃描時(shí)間設(shè)置v同軸線校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)同軸線校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)v同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)非標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)非標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)vS S參數(shù)到介電常數(shù)的計(jì)算參數(shù)到介電常數(shù)的計(jì)算 定位誤差校正定位誤差校正 介電常數(shù)一和介電常數(shù)二介電常數(shù)一和介電常數(shù)二 間隙誤差校正間隙誤差校正精選課件 同軸探針?lè)y(cè)量介電常數(shù)同軸探針?lè)y(cè)量介電常數(shù)精選課件Coaxial probe permittivity measurement system精選課件Coaxial probe permittivity measurement system精選課件Coaxial probe