材料介電特性測(cè)量基礎(chǔ)

1、安捷倫材料介電特性的測(cè)量基礎(chǔ) 應(yīng)用指南 簡(jiǎn)介 . 3介電原理 . 4介電常數(shù) . 4導(dǎo)磁率 . 6電磁傳播 . 7介電機(jī)理 . 8取向 ( 偶極子 偏振 . 9電子和原子偏振 . 9弛豫時(shí)間 . 10德拜 (Debye關(guān)系式 . 10科爾 -科爾 (Cole-Cole圖 . 11離子電導(dǎo)率 . 11界面或空間電荷偏振 . 12測(cè)量系統(tǒng) . 13網(wǎng)絡(luò)分析儀 . 13阻抗分析儀和 LCR 表 . 14夾具 . 14軟件 . 14測(cè)量技術(shù) . 15同軸探頭法 . 15傳輸線法 . 18自由空間法 . 21諧振腔法 . 24平行板法 . 27電感測(cè)量法 . 28方法比較 . 29安捷倫解決方案 . 3

2、0參考資料 . 31網(wǎng)絡(luò)資源 . 32各行各業(yè)都需要對(duì)它們所用的材料有非常清晰的了解,以便縮短設(shè)計(jì)、 進(jìn)廠檢驗(yàn)、流程檢測(cè)和質(zhì)量保證等階段所花費(fèi)的時(shí)間。每種材料都具有一些 獨(dú)特的電氣特征,與介電特性有關(guān)。通過(guò)對(duì)介電特性進(jìn)行精確測(cè)量,科技人 員和工程師能夠獲得寶貴的信息,從而在具體應(yīng)用中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這些材料, 創(chuàng)造更可靠的設(shè)計(jì)或監(jiān)測(cè)生產(chǎn)流程,改進(jìn)質(zhì)量控制。介電材料測(cè)量可為許多電子應(yīng)用提供關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)信息。電纜絕緣體損 耗、基片阻抗或介質(zhì)諧振器頻率都與材料介電特性有關(guān)。該信息也有助于改 進(jìn)鐵氧體、吸收器和封裝設(shè)計(jì)。通過(guò)充分認(rèn)識(shí)介電特性,航空航天、汽車、 食品和醫(yī)藥行業(yè)中的最新應(yīng)用也獲益匪淺。安捷倫提供

3、多種儀器、夾具和軟件,用于測(cè)量材料的介電特性。這些測(cè) 量?jī)x器 ( 例如網(wǎng)絡(luò)分析儀、阻抗分析儀和 LCR 表 可覆蓋最高 1.1 THz 的頻率范 圍。 用于夾持被測(cè)材料 (MUT 的安捷倫夾具分別適用于同軸探頭法、 平行板法、 同軸 /波導(dǎo)傳輸線法、自由空間法和諧振腔法。下表顯示了安捷倫材料測(cè)試 解決方案所能測(cè)量的產(chǎn)品。表 1. 材料測(cè)量應(yīng)用實(shí)例行業(yè) 應(yīng)用 /產(chǎn)品電子 電容器、基片、 PCB 、 PCB 天線、鐵氧體、磁記錄頭、吸收器、 SAR 體模材料、傳感器航空航天 /國(guó)防 隱身技術(shù)、 RAM ( 雷達(dá)波吸收材料 、雷達(dá)天線罩工業(yè)材料 陶瓷和復(fù)合材料 : IC 封裝、航空航天與汽車零部件、

4、水泥、涂料和生物植入聚合物和塑料 : 纖維、基片、薄膜、絕緣材料水凝膠 : 一次性尿片、軟性隱形眼鏡液晶 : 顯示器橡膠、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體其它包含此類材料的產(chǎn)品 : 輪胎、涂料、粘合劑等食品和農(nóng)業(yè) 食品保鮮 ( 變質(zhì) 研究、微波食品開(kāi)發(fā)、包裝、含水率測(cè)量林業(yè)和礦業(yè) 木材 /紙制品含水率測(cè)量、含油量分析制藥和醫(yī)療 藥物研究和生產(chǎn)、生物植入體、人體組織定征、生物量、化學(xué)濃縮、 發(fā)酵介電原理本文將討論介電常數(shù)和導(dǎo)磁率兩種介電特性。另一種材料特性 電阻率 不屬于本文討論的范圍。關(guān)于電阻率及其測(cè)量的信息可參見(jiàn)安捷倫應(yīng)用指南 1369-11。必須注意,介電常數(shù)和導(dǎo)磁率不是恒定不變的。頻率、溫度、方向、 混合

5、、壓力和材料分子結(jié)構(gòu)等因素都可能對(duì)它們產(chǎn)生影響,使它們發(fā)生變化。介電常數(shù)材料如果在受到外部電場(chǎng)作用時(shí)能夠儲(chǔ)存電能,就稱為“電介質(zhì)”。 當(dāng)給平行板電容器施加直流電壓時(shí),如果兩板之間存在介電材料,那么可 以儲(chǔ)存比沒(méi)有介電材料 ( 真空 時(shí)更多的電荷。介電材料可以中和電極上 的電荷,使電容器儲(chǔ)存更多電荷,而通常情況下,這些電荷將流向外部電 場(chǎng)。介電材料的電容與介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)在平行板電容器上并聯(lián)直流電壓 源 v 時(shí) ( 圖 1,兩板之間有介電材料的配置可以比沒(méi)有介電材料 ( 真空 的配 置儲(chǔ)存更多的電荷。 圖 1. 平行板電容器,直流實(shí)例其中, C 和 C 0 分別是有電介質(zhì)和沒(méi)有電介質(zhì)時(shí)的電容 ;

6、 = r 是實(shí)際介電 常數(shù)或介電常數(shù), A 和 t 分別是電容器平板的面積和間距 ( 圖1。介電材料可 以通過(guò)中和電極上的電荷,增加電容器的儲(chǔ)存能力。而通常情況下,這些電 荷將流向外部電場(chǎng)。根據(jù)上面的方程式可知,介電材料的電容與介電常數(shù)有 關(guān)。如果在同一個(gè)電容器上并聯(lián)交流正弦電壓源 ( 圖 2,得到的電流將包括 充電電流 I c 和與介電常數(shù)有關(guān)的損耗電流 I l 。材料中的損耗可用與電容器 (C并聯(lián)的電導(dǎo) (G 表示。 圖 2. 平行板電容器,交流實(shí)例復(fù)數(shù)介電常數(shù) k 由實(shí)部 ( 表示儲(chǔ)存電荷 和虛部 ( 表示損耗電荷 組 成。下面的符號(hào)可互換表示復(fù)數(shù)介電常數(shù) = * = r = *r 。根

7、據(jù)電磁理論,電位移 ( 電通量密度 D f 的定義是 :D f = E其中, = * = 0 r 是絕對(duì)介電常數(shù), r 是相對(duì)介電常數(shù), F/m 是真空介電常數(shù), E 是電場(chǎng)。介電常數(shù)描述的是材料與電場(chǎng) E 的相互作用,是一個(gè)復(fù)數(shù)。介電常數(shù) ( 等于相對(duì)介電常數(shù) (r ,或絕對(duì)介電常數(shù) ( 與真空介電常 數(shù) (0 之比。介電常數(shù)的實(shí)部 (r 表示外部電場(chǎng)有多少電能儲(chǔ)存到材料中。介 電常數(shù)的虛部 (r 稱為損耗因子,表示材料中有多少電能耗散到外部電場(chǎng)。 介電常數(shù)的虛部 (r 始終大于 0,通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 (r 。損耗因子同時(shí)包括電介 質(zhì)損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。0 -9136 = r =r - j r

8、'' 如果用簡(jiǎn)單的矢量圖 ( 圖 3 表示復(fù)數(shù)介電常數(shù),實(shí)部和虛部的相位將會(huì)相差 90°。其矢量和與實(shí)軸 (r 形成夾角。材料的相對(duì)“損耗”等于損耗能 量與儲(chǔ)存能量的比值。 圖 3. 損耗正切矢量圖損耗正切或 tan 定義為介電常數(shù)的虛部與實(shí)部之比。 D 表示耗散因子, Q 表示品質(zhì)因數(shù)。損耗正切 tan 可讀成 tan delta 、損耗正切角或耗散因子。 有時(shí),“品質(zhì)因數(shù)或 Q 因數(shù)”也用來(lái)描述電子微波材料的特性,等于損耗正 切的倒數(shù)。對(duì)于損耗非常低的材料, tan ,所以損耗正切可用角度單位 毫弧度或微弧度來(lái)表示。導(dǎo)磁率導(dǎo)磁率 ( 描述了材料與磁場(chǎng)的相互作用。為

9、了分析導(dǎo)磁率可用一個(gè)電 感加電阻來(lái)進(jìn)行類比,其中用電阻表示磁性材料中的磁心損耗 ( 圖 4。如果 在電感上并聯(lián)直流電流源,則磁芯材料中的電感與導(dǎo)磁率有關(guān)。 RL00L L 'L' L =圖 4. 電感器在方程式中, L 是材料的電感, L 0 是線圈的真空電感, 是實(shí)際導(dǎo)磁率。 如果在同一電感器上并聯(lián)一個(gè)交流正弦電流源,得到的電壓將包含感應(yīng)電 壓和與導(dǎo)磁率有關(guān)的損耗電壓兩部分。磁芯損耗可用與電感器 (L 串聯(lián)的電 阻 (R 表示。復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率 (* 或 由表示電能儲(chǔ)存項(xiàng)的實(shí)部 ( 和表示電能損 耗項(xiàng)的虛部 ( 組成。相對(duì)介電常數(shù) r 是相對(duì)于真空的介電常數(shù) :r r - j r

10、'' 0 = 4 x 10-7 H/m 是真空導(dǎo)磁率0鐵 ( 鐵氧體 、 鈷、 鎳及其合金材料具有較大的磁性 ; 但許多材料沒(méi)有磁性, 其導(dǎo)磁率與真空的導(dǎo)磁率 (r = 1 非常接近。另一方面,所有材料都具有介電 特性,因此本文討論的重點(diǎn)主要是介電常數(shù)測(cè)量。電磁波傳播在時(shí)變條件下 ( 例如正弦波 ,電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。電磁波在真空中 的傳播速度可以達(dá)到光速 c = 3 x 108 m/s,但在材料中的傳播速度慢得多。電 磁波有不同的波長(zhǎng)。信號(hào)波長(zhǎng) l 與頻率 f ( = c/f成反比,因此隨著頻率的增 加,波長(zhǎng)會(huì)減小。例如在真空中, 10 MHz 信號(hào)的波長(zhǎng)為 30 m,而

11、10 GHz 信號(hào) 的波長(zhǎng)僅為 3 cm。電磁波的傳播在很多方面是由材料的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率決 定的。我們從“光的角度”來(lái)分析電介質(zhì)特性。假設(shè)在真空中有一個(gè)材料平 面板 (MUT,一個(gè) TEM 波入射到其表面 ( 圖 5,從而產(chǎn)生入射波、反射波和 發(fā)射波。由于材料中的波阻抗 Z 與真空阻抗 ( 或 Z 0 不等 ( 更低 ,因此會(huì)出 現(xiàn)阻抗失配,產(chǎn)生反射波。一部分能量會(huì)滲透到樣品中。波一旦進(jìn)入平板, 波速 v 就會(huì)變得比光速 c 慢。根據(jù)下面的方程式可知,波長(zhǎng) d 比真空中的波 長(zhǎng) 0 更短。由于材料始終會(huì)產(chǎn)生某些損耗,波會(huì)出現(xiàn)衰減或插入損耗。為了 方便計(jì)算,不考慮第二個(gè)邊界處的失配。 圖 5.

12、 反射和發(fā)射信號(hào)圖 6. 反射系數(shù)與介電常數(shù)的對(duì)比 圖 6 描述了在樣品無(wú)限長(zhǎng) ( 不考慮樣品背面的反射 條件下,被測(cè)材料 (MUT 介電常數(shù)與反射系數(shù) | 之間的關(guān)系。可以看出來(lái),介電常數(shù)的值較 小時(shí) (20 以下 ,較小的介電常數(shù)變化就會(huì)導(dǎo)致反射系數(shù)有很大的變化。在此 范圍內(nèi)用反射法進(jìn)行介電常數(shù)測(cè)量, 靈敏度較高, 因此精度也較高。 相比之下, 當(dāng)介電常數(shù)的值較大時(shí) ( 例如 70 至 90 之間 , 反射系數(shù)隨介電常數(shù)的變化極小, 測(cè)量的不確定度就會(huì)比較大。 介電機(jī)理材料自身的多種介電機(jī)理或極化效應(yīng) ( 圖 7。介電材料中包含有序排列 的電荷載流子,這些載流子如果受到電場(chǎng)作用,將會(huì)發(fā)生位

13、移。極化導(dǎo)致電 荷對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,正電荷和負(fù)電荷會(huì)朝相反方向移動(dòng)。從微觀角度上看,有多種介電機(jī)理會(huì)對(duì)介電特性產(chǎn)生影響。偶極子取向 和離子傳導(dǎo)在微波頻率上會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。例如,水分子是永久性偶 極子,在交替電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這些機(jī)理具有非常大的損耗 這 可以解釋為什么微波爐能夠加熱食物。原子和電子機(jī)理相對(duì)較弱,在微波范 圍內(nèi)通常是恒定不變的。每個(gè)介電機(jī)理都具有特征的“截止頻率”。隨著頻 率的增加,較慢的機(jī)理會(huì)依次退出,只剩下較快的機(jī)理,用 表示。損耗因 子 (r 將會(huì)在每個(gè)臨界頻率上達(dá)到相應(yīng)的峰值。對(duì)于不同的材料,每個(gè)機(jī)理 的幅度和“截止頻率”都是獨(dú)一無(wú)二的。水在低頻范圍內(nèi)具有非常強(qiáng)

14、的偶極 子效應(yīng),但是其介電常數(shù)在 22 GHz 附近會(huì)明顯下降。另一方面, PTFE 沒(méi)有偶 極子機(jī)理,其介電常數(shù)在毫米波范圍內(nèi)也是非常恒定的。諧振效應(yīng)通常與電子或原子偏振有關(guān)。弛豫效應(yīng)通常與取向偏振有關(guān)。 圖 7. 介電機(jī)理的頻率響應(yīng)取向 ( 偶極子 偏振分子是由多個(gè)原子組成,這些原子會(huì)共享一個(gè)或多個(gè)電子。電子的重新 排列可能導(dǎo)致電荷分布失衡,形成永久性偶極子矩。在沒(méi)有電場(chǎng)作用的條件 下,這些力矩的方向是隨機(jī)的,不存在偏振。電場(chǎng) E 將在電偶極子上施加扭 矩 T ,該偶極子將旋轉(zhuǎn)到與電場(chǎng)方向?qū)R,導(dǎo)致取向偏振發(fā)生 ( 圖 8。如果電 場(chǎng)方向改變,扭矩也將隨之改變。 圖 8. 電場(chǎng)中的偶極子旋

15、轉(zhuǎn)偶極子取向過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦將會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)損耗。偶極子旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致r 和 r 同時(shí)在弛豫頻率上發(fā)生變化 ( 通常是在微波范圍內(nèi)發(fā)生 。我們前面提到過(guò),水是一種具有強(qiáng)烈取向偏振的物質(zhì)。電子和原子偏振當(dāng)電場(chǎng)推動(dòng)原子核相對(duì)于周邊電子發(fā)生位移時(shí),中性原子中會(huì)發(fā)生電子 偏振。當(dāng)相鄰的正離子和負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生“伸展”時(shí),會(huì)發(fā)生原 子偏振。對(duì)于許多干性固體,盡管實(shí)際諧振是在更高頻率上發(fā)生,但是絕大 部分偏振機(jī)理都處于微波頻率上。在紅外和可見(jiàn)光頻率范圍內(nèi),必須將電子 沿軌道旋轉(zhuǎn)的慣性考慮在內(nèi)。原子可用振蕩器模型來(lái)描述,其具有類似于機(jī) 械彈簧和質(zhì)量系統(tǒng)的阻尼效應(yīng) ( 圖 7。在除諧振頻率之外的其他頻率上,

16、振 動(dòng)幅度將非常小。電子和原子機(jī)理遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于諧振,在 r 中只占極小部分且恒定不變, 幾乎是無(wú)損的。 諧振頻率通過(guò)諧振響應(yīng) r 和最大吸收峰值 r 來(lái)識(shí)別。在諧振頻率以上,這些機(jī)理的作用將消失殆盡。弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間 衡量的是材料中的分子 ( 偶極子 的移動(dòng)性。位移的系統(tǒng)現(xiàn)在 必須與電場(chǎng)方向?qū)R,以便返回隨機(jī)均衡值的 1/e (或偶極子現(xiàn)在必須在電場(chǎng) 中取向 。 液體和固體材料的分子處于凝聚態(tài), 即便在電場(chǎng)中也無(wú)法自由移動(dòng)。 恒定不變的碰撞將導(dǎo)致內(nèi)部摩擦,因此分子將緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)并按照指數(shù)規(guī)律接近 取向偏振的最終狀態(tài), 其弛豫時(shí)間常數(shù)為 。 當(dāng)電場(chǎng)關(guān)閉后, 這一順序?qū)⒎崔D(zhuǎn), 最終恢復(fù)隨機(jī)分布,時(shí)間常數(shù)相

17、同。弛豫頻率 f c 與弛豫時(shí)間成反比 :=11c 2 f c在弛豫頻率以下的頻率上,電場(chǎng)的交替速度將變慢,足以使偶極子能夠 跟上電場(chǎng)的變化。由于偏振能夠完全形成,所以損耗 (r 與頻率直接成正比 ( 圖 9。隨著頻率的增加, r 會(huì)連續(xù)增加,但是受偶極子對(duì)齊和電場(chǎng)之間相 位滯后的影響,儲(chǔ)存電能 (r 開(kāi)始減少。在弛豫頻率以上的頻率上,由于電場(chǎng)交替過(guò)快而無(wú)法影響偶極子的旋轉(zhuǎn), 取向偏振消失,r 和 r 將會(huì)同時(shí)下降。 圖 9. 水在 30 °C 時(shí)的德拜 (Debye 弛豫德拜 (Debye 關(guān)系式具有單一弛豫時(shí)間常數(shù)的材料可通過(guò)德拜 (Debye 關(guān)系式進(jìn)行建模,它由頻率決定, 在

18、介電常數(shù)中表現(xiàn)為特征響應(yīng) ( 圖 9。r 是高于和低于弛豫的常數(shù), 在弛豫頻率 (22 GHz 附近發(fā)生跳變。此外, r 稍高于和低于弛豫,在弛豫頻 率上的跳變區(qū)域中達(dá)到峰值。在計(jì)算以上曲線時(shí),介電常數(shù)的靜態(tài) ( 直流 值為s = 76.47,介電常數(shù)的 光 ( 無(wú)限大頻率 值為 = 4.9,弛豫時(shí)間 = 7.2 ps ?？茽?-科爾 (Cole-Cole 圖復(fù)數(shù)介電常數(shù)還可以在科爾 -科爾 (Cole-Cole 圖中顯示,縱軸表示虛 部 (r ,橫軸表示實(shí)部 (r ,頻率作為獨(dú)立的參數(shù) ( 圖 10?？茽?-科爾 (Cole-Cole 圖在某種程度上類似于史密斯圓圖。具有德拜 (Debye

19、關(guān)系式所表示的單一弛豫頻率的材料,將顯示為半圓,圓心位于r = 0 橫軸上,損耗因子峰 值位于 1/。具有多個(gè)弛豫頻率的材料將顯示為半圓 ( 對(duì)稱分布 或弧形 ( 不對(duì)稱分布 ,其圓心位于r = 0 橫軸下方。 圖 10 中的曲線為半圓,圓心在 x 軸上,半徑為 。介電常數(shù)虛部 最大值 rmax 等于半徑。頻率在曲線上沿逆時(shí)針移動(dòng)。 s - 2 圖 10. 圖 9 的科爾 -科爾 (Cole-Cole 圖 離子電導(dǎo)率測(cè)得的材料損耗實(shí)際上可以表示為電介質(zhì)損耗 (rd 和電導(dǎo)率 (s 的函數(shù)。在低頻范圍內(nèi),總體電導(dǎo)率可能是由許多不同的傳導(dǎo)機(jī)理組成,但是在 大多數(shù)材料中離子電導(dǎo)率是最普遍的。溶劑 (

20、 通常是水 中的自由離子所產(chǎn)生的電解傳導(dǎo)對(duì)r 有極大影響。離子電導(dǎo)率只會(huì)增加材料中的損耗。在低頻 范圍內(nèi),離子電導(dǎo)率的效應(yīng)與頻率成反比,表現(xiàn)為r 曲線的 1/f 斜率。 r rd =+0界面 (Interfacial 或空間電荷偏振當(dāng)電荷在原子、分子、固體或液體的結(jié)構(gòu)中受到區(qū)域限制,將發(fā)生電子、 原子和取向偏振。材料中還含有電荷載流子,當(dāng)施加低頻電場(chǎng)時(shí),電荷載流 子可以在材料中進(jìn)行遷移。當(dāng)這些電荷的遷移運(yùn)動(dòng)受到阻礙時(shí),就會(huì)發(fā)生界 面 (interfacial 或空間電荷偏振。電荷可以在材料界面中被捕獲。當(dāng)電荷不能 在電極上自由放電或進(jìn)行替換時(shí),其運(yùn)動(dòng)也有可能受到阻礙。這些電荷的積 聚導(dǎo)致的場(chǎng)失

21、真會(huì)增加材料的總體電容,表現(xiàn)為 r 的增加。在低頻范圍內(nèi),材料混合物在彼此不接觸 ( 由非導(dǎo)電區(qū)隔離 的導(dǎo)電區(qū)內(nèi) 會(huì)表現(xiàn)出麥克斯韋 -瓦格納效應(yīng)。如果電荷層非常薄且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子尺寸, 那么電荷會(huì)獨(dú)立地與臨近粒子上的電荷發(fā)生響應(yīng)。在低頻范圍內(nèi),電荷有時(shí)間在導(dǎo)電區(qū)的邊界上積聚,導(dǎo)致 r 增加。但在高頻范圍內(nèi),電荷沒(méi)有時(shí)間 進(jìn)行積聚,由于電荷的位移與導(dǎo)電區(qū)的尺寸相比非常小,所以不會(huì)發(fā)生偏振。隨著頻率的增加, r 會(huì)減小,損耗表現(xiàn)出與常規(guī)離子電導(dǎo)率相同的 1/f 斜率。 在這個(gè)低頻范圍內(nèi)還可能發(fā)生許多其他介電機(jī)理,使介電常數(shù)發(fā)生明顯 變化。例如,如果電荷層在厚度上接近或超過(guò)粒子尺寸,那么就會(huì)發(fā)生膠狀

22、懸浮。此時(shí),由于響應(yīng)受到臨近粒子電荷分布的影響,所以麥克斯韋 -瓦格 納效應(yīng)不再適用。測(cè)量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)測(cè)量已知物理尺寸的材料的反射和 /或傳輸性能,可以獲得相應(yīng) 的數(shù)據(jù),根據(jù)它們可以表征材料的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率。 PNA 系列、 ENA 系列 和 FieldFox 等矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可在 9 kHz 至 1.1 THz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描高頻激 勵(lì)響應(yīng)測(cè)量。 ( 圖 12。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由信號(hào)源、接收機(jī)和顯示器組成 ( 圖 11 。信號(hào)源向被測(cè)材料發(fā)送一個(gè)單一頻率信號(hào)。接收機(jī)調(diào)諧到該頻率并檢測(cè) 材料所反射和傳輸?shù)男盘?hào)。根據(jù)測(cè)得的響應(yīng)可得出該頻率上的幅度和相位數(shù) 據(jù)。信號(hào)源隨后步進(jìn)到下一個(gè)頻率

23、,重復(fù)上述測(cè)量,得到隨頻率變化的反射 和傳輸測(cè)量響應(yīng)。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)分析儀功能和體系結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用指 南 1287-12 和 1287-23。簡(jiǎn)單的元器件和連接線路在低頻上表現(xiàn)出色,但在高頻上卻截然相反。 在微波頻率范圍內(nèi),波長(zhǎng)與器件物理尺寸相比變得非常小,因此兩個(gè)臨近點(diǎn) 可能具有極大的相位差。要想分析器件在高頻下的特性,必須放棄低頻集總 電路元件方法,改用傳輸線理論。由于在高頻范圍內(nèi)存在著輻射損耗、電介 質(zhì)損耗和電容耦合等效應(yīng),因此微波電路變得更復(fù)雜和昂貴。要想設(shè)計(jì)出完 美無(wú)缺的微波網(wǎng)絡(luò)分析儀,需要投入大量時(shí)間和成本。 圖 11. 網(wǎng)絡(luò)分析儀一種解決方法是使用測(cè)量校準(zhǔn),它能夠消除由系統(tǒng)缺

24、陷所導(dǎo)致的系統(tǒng) 性 ( 穩(wěn)定和可重復(fù)的 測(cè)量誤差,但它無(wú)法消除由噪聲、漂移或環(huán)境因素 ( 溫 度、濕度、氣壓 導(dǎo)致的隨機(jī)誤差。因此,一旦測(cè)量系統(tǒng)稍有變化便會(huì)產(chǎn)生 誤差,很容易影響到微波測(cè)量的性能。良好的測(cè)量實(shí)踐方法可以最大限度 減少這些誤差,例如先目測(cè)所有連接器上是否有污垢或損壞,在校準(zhǔn)后最 大限度減少測(cè)試端口電纜的移動(dòng)。有關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)的詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn) 應(yīng)用指南 1287-34。阻抗分析儀和 LCR 表使用阻抗分析儀和 LCR 表 ( 例如圖 12 中列出的儀器 可以測(cè)量材料在低頻 范圍內(nèi)的特性。使用交流電源為材料提供激勵(lì)信號(hào),并監(jiān)測(cè)材料上的實(shí)際電 壓。通過(guò)測(cè)量材料的尺寸及其電容和耗散因子

25、,可以推導(dǎo)出材料的測(cè)試參數(shù)。 101010E4980A , 4285A DC f (Hz12310410510610710810910101011ENAE4991A0 PNAFieldFox VNALCR 4294A1012圖 12. 用于電介質(zhì)測(cè)量的安捷倫儀器的頻率范圍夾具在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀、阻抗分析儀或 LCR 表測(cè)量材料的介電特性之前,需 要使用測(cè)量夾具 ( 或樣品夾持器 , 一方面以可預(yù)測(cè)的方式對(duì)材料施加電磁場(chǎng), 另一方面使材料可以連接到測(cè)量?jī)x器。夾具的類型根據(jù)選用的測(cè)量技術(shù)以及 材料的物理特性 ( 固體、液體、粉末、氣體 而定。軟件儀器得到的測(cè)量數(shù)據(jù)不一定是直接可用的。在這種情況下,需

26、要使用軟 件將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為介電常數(shù)或?qū)Т怕?。另?軟件還可以對(duì)夾具和 MUT 之間的相互作用進(jìn)行建模,從而提取出大部分材料特性。測(cè)量技術(shù)同軸探頭法同軸探頭法的特點(diǎn) 寬帶 簡(jiǎn)單方便 ( 不需破壞材料 有限的 er 精度和 tan d 低損耗分辨率 最適合液體或半固體對(duì)材料的要求 “半無(wú)限”厚度 非磁性 各向同性和均質(zhì) 平坦表面 無(wú)空隙同軸探頭是傳輸線截?cái)嗪蟮囊徊糠?。通過(guò)將探頭浸入液體或用其接觸固 體 ( 或粉末 材料的平坦表面,對(duì)材料進(jìn)行測(cè)量。探頭上的場(chǎng)將“邊緣”送入 材料中,隨著它們與被測(cè)材料的接觸緩慢而發(fā)生變化。 ( 圖 13。反射信號(hào) 5 (S11 可通過(guò)測(cè)量得到,它與 r* 有關(guān)。使

27、用同軸探頭法的典型測(cè)量系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀以及同軸 探頭和軟件組成。軟件和探頭均包含在 85070E 介電探頭套件中。在許多情況 下,還需要使用外部計(jì)算機(jī)通過(guò) GPIB 接口控制網(wǎng)絡(luò)分析儀。 82357A USB 至 GPIB 接口可非常方便和靈活地實(shí)現(xiàn)這一連接。對(duì)于 PNA 系列和 ENA 系列網(wǎng)絡(luò) 分析儀,軟件可直接安裝到網(wǎng)絡(luò)分析儀中,無(wú)需使用外部計(jì)算機(jī)。 圖 13. 同軸探頭法(a(b(c圖 14 顯示了 85070E 套件提供的 3 個(gè)探頭 ; 高溫探頭 (a、細(xì)長(zhǎng)探頭 (b 和高 性能探頭 (c。 圖中 (a 為高溫探頭, 右側(cè)是短路件。 (b的底部是 3 個(gè)細(xì)長(zhǎng)探頭, 上

28、面為短路件,還有幾個(gè)其他附件。 (c 為高性能探頭,上面是短路件。圖 14. 三種介電探頭配置 高溫探頭 (a 的設(shè)計(jì)使得它非常堅(jiān)固耐用,由于采用了玻璃金屬密封結(jié) 構(gòu),因而能夠防止化學(xué)品的腐蝕或摩擦。探頭能夠承受 -40 至 +200 °C 的溫 度范圍,因此可測(cè)量材料特性隨頻率和溫度的變化。大邊緣使探頭能夠?qū)?平面固體材料、液體和半固體材料進(jìn)行測(cè)量。細(xì)長(zhǎng)探頭 (b 能夠很輕松地裝 進(jìn)發(fā)酵罐、化學(xué)反應(yīng)室或其它小孔徑的設(shè)備中。同時(shí),細(xì)長(zhǎng)的設(shè)計(jì)還使它 能夠適用于更小的樣品體積。該探頭最適用于測(cè)量液體和柔潤(rùn)的半固體。 對(duì)于可澆鑄材料,探頭的價(jià)格足夠經(jīng)濟(jì),可伸入到材料中無(wú)需取回。這種 探頭用

29、作消耗品,因此以三個(gè)一套的方式提供。細(xì)長(zhǎng)探頭套件還包含密封 的細(xì)長(zhǎng)夾持器,適用于套件中包括的 2.2 mm 外徑至 10 mm 內(nèi)徑支架,以及 市場(chǎng)上銷售的“ Midi ( 中長(zhǎng) ”型適配器和套管。高性能探頭 (C 的細(xì)長(zhǎng)設(shè)計(jì) 融合了出色的堅(jiān)固性和耐高溫性以及寬頻率范圍,適合在您要求最苛刻的 應(yīng)用中使用。探頭的探針端和連接器端都經(jīng)過(guò)密封,因此是我們最堅(jiān)固耐 用的探頭。探頭能夠承受 -40 °C 至 +200 °C 的寬溫度范圍,因此可測(cè)量材料 特性隨頻率和溫度的變化。探頭經(jīng)過(guò)熱壓處理,非常適合滅菌要求很高的 食品、醫(yī)藥和化工行業(yè)應(yīng)用。細(xì)長(zhǎng)探頭能夠很輕松地裝進(jìn)發(fā)酵罐、化學(xué)反

30、應(yīng)室或其它小孔徑的設(shè)備中。小直徑還使它能夠與最小樣品尺寸的所有安 捷倫探頭配合使用。 這對(duì)于測(cè)量液體、 半固體以及平面固體材料非常有幫助。 其他詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn)“介電探頭技術(shù)概述” 6 和“軟件在線幫助” 7。85070E 介電探頭與安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀和 E4991A 阻抗分析儀兼容。使用阻 抗分析儀時(shí),高溫探頭的額定帶寬為 10 MHz。在進(jìn)行測(cè)量前,必須在探頭端進(jìn)行校準(zhǔn)。三項(xiàng)校準(zhǔn)可以糾正反射測(cè)量 中可能存在的方向性、跟蹤和信號(hào)源失配誤差。為了去除掉這三種誤差項(xiàng), 可以做三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)試。根據(jù)預(yù)期值與實(shí)際值之差,可消除測(cè)量中的系 統(tǒng) ( 可重復(fù) 誤差。這三個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)件分別為空氣、短路件和蒸餾水

31、。即使 是在校準(zhǔn)完探頭之后,還有一些誤差源可能影響測(cè)量的精度。誤差源主要有 三種 : 電纜穩(wěn)定度 空隙 樣品厚度在進(jìn)行測(cè)量之前必須留出足夠的時(shí)間,以使電纜 ( 將探頭連接到網(wǎng)絡(luò) 分析儀 變得穩(wěn)定,并確保在校準(zhǔn)和測(cè)量之間電纜不會(huì)曲折。電子校準(zhǔn)更新 (Electronic Calibration Refresh 功能可在每次測(cè)量前,在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行再次校準(zhǔn)。這樣,幾乎可以消除電纜的不穩(wěn)定度和系統(tǒng)漂移誤差。對(duì)于固體材料,探頭與樣品之間的空隙可能產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差,除非樣品 表面經(jīng)過(guò)加工,達(dá)到至少與探頭表面一樣平坦的程度。對(duì)于液體樣品,探頭 端的氣泡可能就像固體樣品上的間隙一樣,導(dǎo)致嚴(yán)重誤

32、差。樣品還必須具有足夠的厚度,與探頭相比需達(dá)到“無(wú)限”厚。有一個(gè)簡(jiǎn) 單的方程式 6可以計(jì)算高溫探頭樣品的大概厚度,以及推薦的細(xì)長(zhǎng)探頭樣品 厚度。一種簡(jiǎn)單實(shí)用的辦法是將短路件放置在樣品后,檢查它是否會(huì)影響測(cè) 量結(jié)果。圖 15 顯示了使用高溫探頭在室溫 (25°C 下測(cè)量甲醇的介電常數(shù)和損耗因 數(shù)所得結(jié)果的對(duì)比,以及使用科爾 -科爾模型進(jìn)行的理論計(jì)算。在科爾 -科 爾計(jì)算中使用了以下參數(shù) :r = 33.7, = 4.45, = 4.95 x 10-11, = 0.036 圖 15. 使用科爾 -科爾模型在 25 °C 下測(cè)量甲醇的介電常數(shù) (a 和損耗因子 (b 所得結(jié)果的比

33、較介電探頭法的缺點(diǎn)是在某些條件下,與其他測(cè)量方法 ( 例如使用 85071E 的傳輸線法和諧振器法 相比,它的精度很有限。傳輸線法傳輸線法需要將材料置于一部分封閉的傳輸線內(nèi)部。線路通常是一段矩 形波導(dǎo)或同軸空氣線 ( 圖 16。 r* 和 r* 根據(jù)反射信號(hào) (S11 和傳輸信號(hào) (S21 的 測(cè)量結(jié)果計(jì)算得出。對(duì)材料的要求 樣品填充到夾具橫截面中 夾具壁沒(méi)有空隙 表面平坦光滑,與長(zhǎng)軸垂直 均勻介質(zhì)傳輸線法的特點(diǎn) 寬帶 最低頻率受到實(shí)際樣品長(zhǎng)度的限制 有限的低損耗分辨率 ( 取決于樣品長(zhǎng)度 可測(cè)量磁性材料 使用波導(dǎo)夾具時(shí)測(cè)量各向異性材料 圖 16. 傳輸線法 ; 波導(dǎo)和同軸線路實(shí)例 (a(b圖

34、 17. 同軸 7 毫米空氣線和樣品 (a, X 頻段直波導(dǎo)和樣品 (b同軸傳輸線法覆蓋非常寬的頻率范圍,但是環(huán)形樣品的制備難度比較大 會(huì)極大增加 ( 圖 17 (a。波導(dǎo)夾具的頻率范圍可以擴(kuò)展到毫米波頻率,樣品的 制造較簡(jiǎn)單,但是它們的頻率范圍是分段的 ( 圖 17 (b。采用傳輸線法的典型 測(cè)量系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、同軸空氣線或波導(dǎo)以及軟件 ( 例如 85071E,執(zhí) 行r* 和 r* 的轉(zhuǎn)換 組成?？墒褂猛獠坑?jì)算機(jī)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)分析儀,兩者通過(guò) LAN 、 USB 或 GP-IB 接口進(jìn)行連接。 82357B USB 至 GPIB 接口可以靈活方便地實(shí) 現(xiàn)這一連接。對(duì)于 PNA 系列和 EN

35、A 系列網(wǎng)絡(luò)分析儀,軟件可直接安裝到分析 儀中,無(wú)需使用外部計(jì)算機(jī)。有關(guān) 85071E 材料測(cè)量軟件的詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn)技 術(shù)概述 8和軟件在線幫助 9。同軸樣品的夾具夾持器推薦使用安捷倫驗(yàn)證套件中的 50 空氣線 ( 圖 17 (a。 11644A 系列中的每個(gè)波導(dǎo)校準(zhǔn)套件都包含一個(gè)精密波導(dǎo) ( 圖 17 (b,可 用波導(dǎo)類夾具。圖 18 顯示了在 X 頻段波導(dǎo)中對(duì)兩個(gè)樹(shù)脂玻璃樣品的介電常數(shù) (a 和損耗 正切 (b 進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。這兩個(gè)樣品的長(zhǎng)度分別為 25 毫米和 31 毫米。使用 的夾具是 X11644A 校準(zhǔn)套件中的 140 毫米長(zhǎng)精密波導(dǎo) ( 圖 17 (b。網(wǎng)絡(luò)分析儀 是 PNA,

36、校準(zhǔn)類型為 TRL,使用精密 NIST 算法 9 進(jìn)行計(jì)算。在下面的兩個(gè)圖 中有兩對(duì)跡線,是對(duì)相同樣品進(jìn)行測(cè)量得到的兩種不同測(cè)量結(jié)果。每個(gè)圖頂 部的兩個(gè)測(cè)量結(jié)果是在樣品夾持器未經(jīng)校準(zhǔn)情況下測(cè)得的。 在這種情況中, 85071E 軟件會(huì)根據(jù)樣品長(zhǎng)度和夾具的長(zhǎng)度,將校準(zhǔn)平面 擴(kuò)展到樣品面,但是這樣不能補(bǔ)償波導(dǎo)的損耗。相同樣品的底部?jī)蓚€(gè)測(cè)量結(jié) 果是在樣品夾具處經(jīng)過(guò)校準(zhǔn), 且波導(dǎo)損耗和電長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的情況下測(cè)得的。 正如預(yù)期的一樣,當(dāng)對(duì)夾具進(jìn)行校準(zhǔn)之后,損耗正切曲線 (b 顯示較低值,隨 著頻率的變化,它們相對(duì)保持恒定。這是因?yàn)椴▽?dǎo)損耗不再添加到樣品損耗 中。使用 PNA 網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí),除了對(duì)夾具進(jìn)行

37、校準(zhǔn)之外,還可以執(zhí)行夾具去 嵌入,也能帶來(lái)相同的效果。這種方法要求在校準(zhǔn)之后測(cè)量空置的樣品夾具。(a(b圖 18. 在 X 頻段波導(dǎo)中對(duì)兩個(gè)分別長(zhǎng) 25 毫米和 31 毫米的樹(shù)脂玻璃樣品進(jìn)行測(cè)量獲得的結(jié)果自由空間法對(duì)材料的要求 大尺寸、平坦、平行表面樣品 均勻介質(zhì)自由空間法的特點(diǎn) 非接觸,對(duì)材料無(wú)破壞 高頻 低端受到實(shí)際樣品尺寸的限制 適合在高溫條件下使用 對(duì)于各向異性材料,天線偏振可能發(fā)生變化 可測(cè)量磁性材料自由空間法用天線將微波能量聚焦在或穿透過(guò)材料厚板或薄板。這種方 法不需對(duì)材料進(jìn)行接觸,適用于在高溫和惡劣環(huán)境中對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試。圖 19 顯示了兩種典型的自由空間測(cè)量裝置 : S 參數(shù)配置

38、 ( 上方 和 NRL 弧形框 ( 下 方 。使用自由空間法的典型測(cè)量系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、夾具 ( 天線、隧道、 弧形框等 和 85071E 軟件組成?？墒褂猛獠坑?jì)算機(jī)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)分析儀,兩者 通過(guò) LAN、 USB 或 GP-IB 接口進(jìn)行連接。 82357B USB 至 GPIB 接口可以靈活方 便地實(shí)現(xiàn)這一連接。對(duì)于 PNA 系列和 ENA 系列網(wǎng)絡(luò)分析儀,軟件可直接安裝 到分析儀中,無(wú)需使用外部計(jì)算機(jī)。圖 19. 自由空間測(cè)量裝置在自由空間環(huán)境中,由于不需要接觸或碰觸樣品,所以很容易進(jìn)行高溫 測(cè)量 ( 圖 20。樣品可以置于溫箱中進(jìn)行加熱,溫箱留有“窗口”,可以隔絕 材料但允許微波通過(guò)

39、。安捷倫不提供適用于此類測(cè)量的溫箱。圖 20 顯示了基 本的裝置。 圖 20. 自由空間中的高溫測(cè)量用自由空間法測(cè)量材料時(shí),對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)是一個(gè)難題。自由空間 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件由于是“無(wú)連接器的”,因此帶來(lái)了特殊的問(wèn)題。根據(jù)不同的操 作的方便性和預(yù)期精度,用戶可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的校準(zhǔn),例如響應(yīng)校準(zhǔn),也可以 進(jìn)行非常復(fù)雜的校準(zhǔn),例如全雙端口校準(zhǔn)。85071E 軟件提供了一種自由空間校準(zhǔn)方法供用戶選擇使用,即 GRL ( 選 通匹配、 反射、 傳輸線 。 這個(gè)校準(zhǔn)程序與其他一些校準(zhǔn)方法 例如 TRM ( 直 通、 反射、 匹配 和 TRL ( 直通、 反射、 傳輸線 相比更容易使用, 成本更低。 采用這一

40、方法必須使用配有時(shí)域選件的網(wǎng)絡(luò)分析儀、適合的自由空間法的夾 具和金屬校準(zhǔn)板。該選件還包括選通隔離 /響應(yīng)校準(zhǔn),可減少因樣品邊緣的 衍射效應(yīng)以及天線間多次剩余反射而產(chǎn)生的誤差。 85071E 軟件可自動(dòng)設(shè)置所 有自由空間校準(zhǔn)定義和網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù),顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。校準(zhǔn)向?qū)Э芍?步引導(dǎo)用戶輕松完成校準(zhǔn)過(guò)程。 圖 21. 聚苯乙烯 (Rexolite 樣品在 U 頻段 (40 60 GHz 中的測(cè)量結(jié)果圖 21 顯示了在使用 GRL 校準(zhǔn)后的 PNA 網(wǎng)絡(luò)分析儀和 85071E 軟件在 U 頻 段(40-60 GHz中測(cè)量聚苯乙烯材料的測(cè)量結(jié)果,進(jìn)行 GRL 校準(zhǔn)的結(jié)果。夾 具由標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線和即

41、時(shí)可用的支架組成, 可以看出如果做了 GRL 校準(zhǔn), 即使采用最簡(jiǎn)單的設(shè)置,也可以進(jìn)行高難度的測(cè)量。如果要進(jìn)行更精密的測(cè) 量,推薦您使用更高剛性的、配有聚焦喇叭天線的夾具。 圖 22. 330-500 GHz Thomas Keating Ltd. 準(zhǔn)光學(xué)平臺(tái),包括高斯光束喇叭天線、聚焦鏡和樣品 夾持器。在毫米波和亞毫米波頻率范圍內(nèi),準(zhǔn)光學(xué)平臺(tái)是最適用的。它們可以從 Thomas Keating Ltd 公司或通過(guò)安捷倫特殊處理工程部門(mén)購(gòu)買。安捷倫型號(hào) :60-90 GHz 85071E E0275-110 GHz 85071E E0190-140 GHz 85071E E22140-220

42、GHz 85071E E23220-325 GHz 85071E E18325-500 GHz 85071E E24其他頻率產(chǎn)品以及覆蓋多個(gè)頻段的平臺(tái)根據(jù)用戶請(qǐng)求提供。諧振腔法 ( 窄帶測(cè)量 與寬帶測(cè)量方法 ( 例如 , 傳輸線法 , 平行 板電容法等 的比較分裂圓柱諧振器 諧振腔法諧振法高阻抗環(huán)境 可以測(cè)量小尺寸樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量 只能在一個(gè)或幾個(gè)頻率上進(jìn)行測(cè)量 非常適合測(cè)量低損耗材料其它寬帶測(cè)量法低阻抗環(huán)境 需要較大的樣品才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量 可在“任意”頻率上進(jìn)行測(cè)量諧振腔體有比較高的 Q 值,可在特定頻率上發(fā)生諧振。將一片材料樣品 插入到腔體中,會(huì)改變腔體的諧振頻率 (f 和品質(zhì)因數(shù) (

43、Q。根據(jù)這些測(cè)得的 參數(shù),可以計(jì)算出材料在某一頻率上的復(fù)數(shù)介電常數(shù)。典型的測(cè)量系統(tǒng)由網(wǎng) 絡(luò)分析儀、諧振腔體夾具以及計(jì)算軟件組成。諧振腔法也有許多不同的子方法和夾具類型 : Agilent 85071E 選件 200 諧振 腔體軟件支持三種子方法 : 分裂圓柱法 (Split Cylinder 、分離介質(zhì)諧振器 (Split Post Dielectric Resonator 法和 ASTM D252010 腔體微擾 (Cavity Perturbation 法。 可使用外部計(jì)算機(jī)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)分析儀,兩者通過(guò) LAN、 USB 或 GP-IB 接口進(jìn)行 連接。對(duì)于 PNA 系列和 ENA 系列網(wǎng)絡(luò)

44、分析儀,軟件可直接安裝到分析儀中, 無(wú)需使用外部計(jì)算機(jī)。安捷倫還為分裂圓柱柱法 13 和分離介質(zhì)諧振器法 14提供了高 Q 值諧振腔體夾具。圖 23. Agilent 85072A 10 GHz 分裂圓柱狀諧振器分裂圓柱諧振器是分成兩半的柱狀諧振腔體。樣品夾入到兩個(gè)半柱的 中間。一個(gè)半柱是固定的,另一個(gè)是可調(diào)節(jié)的,來(lái)適應(yīng)不同厚度的樣品。根 據(jù)樣品厚度、柱長(zhǎng)以及分裂圓柱諧振器在空載和載入樣品兩種條件下的 S 參 數(shù)測(cè)量結(jié)果,可以計(jì)算出介電常數(shù)、 和損耗正切或 tan 、 tan 。使用位于 科羅拉多波爾得的 NIST14 所開(kāi)發(fā)的模式匹配模型,可以計(jì)算在 10 GHz TE 011模式下的介電常

45、數(shù)和損耗正切角。此外,還可以測(cè)量沒(méi)有干擾模式存在的更高階 TE 0np 模式2。 IPC 采用這種方法作為 TM-650 2.5.5.13 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。 15 分離介質(zhì)諧振器圖 24. QWED 5 GHz 分離介質(zhì)諧振器 (Agilent 85071E-E04QWED 分離介質(zhì)諧振器采用低損耗介電材料構(gòu)建,因此可提供比傳統(tǒng)全 金屬腔體更高的 Q 因數(shù)和更出色的熱穩(wěn)定度。使用這種方法測(cè)量低損耗和薄 板材料的復(fù)數(shù)介電常數(shù)及損耗正切,測(cè)量步驟最簡(jiǎn)單,精度最高 16。用戶可 以從 QWED 或通過(guò)安捷倫特殊處理工程部門(mén)購(gòu)買到非常便宜的 1 至 22 GHz 單 一頻率夾具。安捷倫型號(hào) :1.1 G

46、Hz 85071E E192.5 GHz 85071E E035 GHz 85071E E0415 GHz 85071E E1522 GHz 85071E E07其他頻率的型號(hào)根據(jù)用戶請(qǐng)求提供。腔體微擾 (ASTM D2520 圖 25. 諧振腔體測(cè)量ASTM 252010腔體微擾法使用配有膜孔耦合端板、在 TE10n 模式下工作的 矩形波導(dǎo) ( 圖 25。在進(jìn)行電介質(zhì)測(cè)量時(shí),應(yīng)將樣品放置到最大場(chǎng)強(qiáng)處。雖然 安捷倫不提供現(xiàn)成的、適用于腔體微擾法的諧振器夾具,但用戶可以很容易 地將精密直波導(dǎo)改造成這種夾具,例如用 11644A 系列波導(dǎo)校準(zhǔn)套件中的產(chǎn)品 進(jìn)行改造。用戶還需要在波導(dǎo)中點(diǎn)鉆一個(gè)孔,以及制造兩個(gè)膜孔耦合端板。 膜孔尺寸為 b/2.2,其中 b 是波導(dǎo)橫截面的最小尺寸。如果通過(guò)波導(dǎo)中點(diǎn)處的 孔插入樣品,那么奇數(shù)個(gè)半波長(zhǎng)將使最大電場(chǎng)到達(dá)樣品位置,從而可以測(cè)量 樣品的介電特性。 ( 偶數(shù)個(gè)半波長(zhǎng)將使最大磁場(chǎng)到達(dá)樣品位置,從而可以測(cè) 量樣品的磁性特性。 腔體微擾法要求樣品非常小,以便盡量減少對(duì)腔體內(nèi)電磁場(chǎng)的干擾,減 少測(cè)得的諧振頻率和腔體 Q 因數(shù)的變化。這種假設(shè)可以簡(jiǎn)化測(cè)量原理,從而 可以使用上面的方程式來(lái)計(jì)算材料的介電特性。平行板法平行板法在 ASTM 標(biāo)準(zhǔn) D15012 中又稱為三端子法,其原理是通過(guò)在兩個(gè) 電極之間插入一個(gè)材料或液體薄片組成電容器,然后測(cè)量其電容,根據(jù)