實驗室裝置波導法測量介電常數(shù)

實驗室裝置波導法測量介電常數(shù)PPT當前第1頁\共有31頁\編于星期二\6點自然界中大多數(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)生一個極化電場，這個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與外加電場強度E的比值，是一個用來衡量介質(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常量介電常數(shù)當前第2頁\共有31頁\編于星期二\6點

介電常數(shù)是一個由本身性質(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?，微觀上反映物質(zhì)內(nèi)部化學和物理結(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。當前第3頁\共有31頁\編于星期二\6點物質(zhì)在靜電場中（無電磁波時）的介電常數(shù)是一個標量，實數(shù)

物質(zhì)在交變電場中（有電磁波時）的介電常數(shù)是一個復數(shù)

介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗，實部反映波傳播時狀態(tài)的改變，如相位，相速，波阻抗等的改變。當前第4頁\共有31頁\編于星期二\6點介電常數(shù)測量方法傳輸線法－如波導法，同軸線，帶狀線

將被測介質(zhì)作為傳輸線的一部分，測量負載（被測介質(zhì)）在傳輸線（傳輸系統(tǒng)）上的行駐波分布，測量其駐波系數(shù)，波節(jié)點位置（相位），以此計算負載的反射系數(shù)，阻抗，網(wǎng)絡參量等，進而實現(xiàn)其介電常數(shù)的反演

當前第5頁\共有31頁\編于星期二\6點諧振腔法－將被測介質(zhì)放入諧振腔中，引起諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化，其測得的變化值與介質(zhì)的介電常數(shù)有定量關(guān)系

自由空間波法－光學方法。通過測量介質(zhì)的折射率，得到其與介電常數(shù)的定量關(guān)系。當前第6頁\共有31頁\編于星期二\6點波導傳輸/反射法NRW傳輸/反射法：將待測樣品作為二端口網(wǎng)絡，測量兩個端口的s參數(shù)，即s11，s21,s22，s12，然后根據(jù)測得的s參數(shù)算出介質(zhì)的介電常數(shù)該可以方法測量介質(zhì)復介電常數(shù)，適應于同軸和波導系統(tǒng)，采用同軸線時傳輸波為TEM波，而波導系統(tǒng)中傳輸?shù)氖荰E10波。該方法的優(yōu)點是簡單且具有較的高精度，然而，該方法存在厚度諧振，多值，以及不易測量極薄材料等問題。當前第7頁\共有31頁\編于星期二\6點當前第8頁\共有31頁\編于星期二\6點CoaxialConverterWaveguideCoaxialVectorNetworkAnalyzersWave-guidemethoddielectricconstantmeasuringsystem當前第9頁\共有31頁\編于星期二\6點ThePartsintheWave-guidemethoddielectricconstantmeasuringsystem當前第10頁\共有31頁\編于星期二\6點

同軸線校準同軸波導校準當前第11頁\共有31頁\編于星期二\6點一.矢量網(wǎng)絡分析儀同軸線校準打開矢量網(wǎng)絡分析儀，設置好掃描頻率（2－4G），點數(shù)（801），掃描時間（6ms）為了將測量的二端口網(wǎng)絡散射參數(shù)校準到同軸線的端口，要先使用矢量網(wǎng)絡分析儀的標準件（開路器，短路器，匹配負載，直通）和自帶的校準程序進行校準當前第12頁\共有31頁\編于星期二\6點二.同軸波導校準為了將同軸線兩端口的散射參數(shù)校準到測量波導的兩個端面，需要進行非標準件和自己編寫的校準程序進行同軸波導校準將兩轉(zhuǎn)換頭波導口對接：記錄此時的s參數(shù)，記錄為‘thru.s2p’在轉(zhuǎn)換頭波導口接上短路板：記錄此時的s參數(shù)，記錄為‘short.s2p’將校準用波導接在兩轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時的s參數(shù)，記錄為‘line.s2p’將需要測量的對象接在轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時的s參數(shù)導入校準程序，得到測量波導兩個端面的s參數(shù)當前第13頁\共有31頁\編于星期二\6點當前第14頁\共有31頁\編于星期二\6點樣品端面S參數(shù)到介電常數(shù)的計算

表示待測樣品的傳輸系數(shù)

表示待測樣品的反射系數(shù)

s11、s22、s21、s12表示待測樣品的s參數(shù)

當前第15頁\共有31頁\編于星期二\6點推導一：介電常數(shù)一Zc，Z0分別表示樣品和空氣的特征阻抗；表示波導的截止波長，只與波導尺寸和傳輸波型相關(guān)；表示空氣中的工作波長，；c為光速常數(shù)；

當前第16頁\共有31頁\編于星期二\6點厚度諧振問題：對于某些頻點，即樣品長度正好是半個波導波長的整數(shù)倍。S11->0，K值具有極大不確定性，產(chǎn)生尖峰，即厚度諧振，為不確定值，需要去除。當前第17頁\共有31頁\編于星期二\6點推導二：介電常數(shù)二

表示樣品段傳播常數(shù)。

多值問題：由于n可能取多個不同的值，值存在多個值，因而得到的介電常數(shù)可能存在多值。當前第18頁\共有31頁\編于星期二\6點厚度諧振和多值問題的解決結(jié)合兩個推導公式分別計算介電常數(shù)一（有厚度諧振但是無多值問題），介電常數(shù)二（有多值問題但是無厚度諧振）。將介電常數(shù)二與介電常數(shù)一進行比較，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)果既避免了多值問題又避免了厚度諧振問題當前第19頁\共有31頁\編于星期二\6點干土的介電常數(shù)當前第20頁\共有31頁\編于星期二\6點誤差分析及校正定位誤差信號傳輸方向上存在空氣段當前第21頁\共有31頁\編于星期二\6點

定位誤差的校準波導口處的s參數(shù)為，樣品兩端面的s參數(shù)為

為空氣段波導的傳播常數(shù)，放樣品的波導總長度為l，樣品厚度為d，l1和l2分別為兩個測量端面到樣品位置的長度，一般情況都將空波導當作是理想傳輸線，即只存在相位的變化，而不會對信號產(chǎn)生衰減當前第22頁\共有31頁\編于星期二\6點電長度l1和l2的計算

A為和的相位差當前第23頁\共有31頁\編于星期二\6點間隙誤差波導壁存在空氣隙校正公式為其中是由測量數(shù)據(jù)中直接推導出來的值，表示修正以后的數(shù)值。表示窄邊樣品的高度，表示波導窄邊高度與樣品高度的差。

當前第24頁\共有31頁\編于星期二\6點小結(jié)頻率，掃描點數(shù)，掃描時間設置同軸線校準－矢量網(wǎng)絡分析儀標準件校準同軸波導校準－非標準件校準S參數(shù)到介電常數(shù)的計算定位誤差校正介電常數(shù)一和介電常數(shù)二間隙誤差校正當前第25頁\共有31頁\編于星期二\6點

同軸探針法測量介電常數(shù)當前第26頁\共有31頁\編于星期二\6點Coaxialprobepermittivitymeasurementsystem當前第27頁\共有31頁\編于星期二\6點Coaxialprobepermittivitymeasurementsystem當前第28頁\共有31頁\編于星期二\6點Coaxialprobepermittivitymeasurementsystem當前第29頁\共有31頁\編于星期二\6點HighTemperatureProbe