CSTM LX 0000 01011-2022《毫米波頻段材料介電性能測試 開放式共聚焦諧振腔法》編制說明

毫米波頻段材料介電性能測試開放式共聚焦諧振腔法

CSTM標準編制說明

一、編制標準的目的和意義

介質材料廣泛應用于電子通信、航空航天、軍事裝備等民用和軍事領域，介電性能是材料在通

信產業(yè)應用的最主要的性能指標。因此，介電性能的測試對于材料生產廠家及下游客戶尤為重要。

只有適用的測試方法才能保證數據一致性，減少測試偏差帶來的不必要的經濟損失。本文件規(guī)定了

使用開放式共聚焦諧振腔，在毫米波頻段進行材料介電性能測試的具體方法，可滿足介質材料的研

究、生產與應用的測試需求。

共有4家單位參與了本次比對，主要目的是驗證建立介電性能測試方法的一致性、可靠性，比

對結果通過En評定，結果顯示4家單位的比對結果均為合格且離散性很小。

二、工作簡況

1.主要參加單位和工作組成員等

本文件由山東國瓷功能材料股份有限公司主導并組織中國計量科學研究院聯合起草。

主要成員：宋錫濱、任玲玲、朱恒、孫瑩瑩、艾遼東、奚洪亮、李碩、楊宏偉、邢晶。

工作過程

2021年9月，開放式共聚焦諧振腔標準起草工作組組建，工作組包括具有標準制定經驗的科

研人員、分析技術人員。標準起草工作組討論了具體的工作過程、擬定了相應的工作計劃。經過討

論，標準的名稱為《毫米波頻段材料介電性能測試第2部分開放式共聚焦諧振腔法》，本文件的

制定是為了規(guī)范毫米波波段電介質材料介電性能的測試，獲得準確的介電性能信息，對于介質材料

在毫米波波段介電性能測試技術的標準化具有積極的意義。本標準的具體工作計劃如下：

2022年6月，工作組開始起草標準草案和編制說明。

2022年6月，工作組組織專家進行了線上立項答辯，CSTM標準委員會批準立項，立項號為

CSTMLX000001011—2022。

2022年7月至10月，工作組設計比對方案，組織實驗室間比對，完成編制說明。

2022年11月，完成征求意見并召開終審會，形成標準報批稿。

2022年12月，委員會投票，上報標委會，標準發(fā)布。

三、標準編制原則

2

標準中相應的部分依據的標準編號依據的標準名稱

1.《準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草

標準的結構1.GB/T1.1-2020

規(guī)則》

儀器方法1.SJ/T11433-20121.《矢量網絡分析儀通用規(guī)范》

1.《固體絕緣材料介電和電阻特性第1部分：總則》

1.GB/T31838.1-20152.《固體絕緣材料介電和電阻特性第6部分：介電特

標準的術語2.GB/T31838.6-2021性(AC方法)相對介電常數和介質損耗因數(頻率0.1

Hz~10MHz)》

3.JISR1660-2-2004

3.毫米波段精細陶瓷介電性能的測量方法-第2部分：

開放式諧振腔法

四、確定標準主要內容的論據

1.標準主要內容確定依據

開放式共聚焦諧振腔是由兩個金屬凹球面鏡組成，且兩個金屬凹球面鏡底部連接可以動的機械

傳輸裝置，按照不同頻段兩凹球面鏡移動到對應位置后固定，此時兩鏡之間的腔長值為D，同時保

持兩鏡面的曲率中心連線與兩鏡面的曲率中心連線與兩鏡面的口徑中心點連線重合，構成開放式共

聚焦諧振腔。

選擇開放式共聚焦諧振腔內存在的TEM00q主模模式作為標準工作模式，其在腔內的諧振頻率

是由腔參數及腔內的介電常數決定。在確定的測試頻率下，置入試樣后，諧振腔內樣品到凹球面鏡

的諧振長度與有載品質因數均發(fā)生變化。根據諧振頻率、試樣厚度、置入試樣前后樣品到凹球面鏡

的諧振長度及有載品質因數，可以計算出樣品的介電常數和介電損耗角正切。

標準編制組收集了大量國內外相關資料，查詢了國內外相關法律法規(guī)和標準方法，優(yōu)化了開放

式共聚焦諧振腔法對介質材料介電性能的測試條件，為本方法的確定打下了堅實的基礎。

2.主要技術路線

樣品制備→樣品厚度測量→測試空腔諧振頻率和空腔品質因子→放置樣品，測試有載諧振頻率

和有載品質因子→計算介電常數和損耗角正切值→按照比對方案進行比對→比對結果分析。

3.比對方案

3.1比對樣品制備

稱料→混料→成型→燒結→測試

比對樣品分別為：PS、9K7。

3.2樣品前處理

3

實驗前，試樣應置于溫度為(23±2)℃、相對濕度為(50±5)%的環(huán)境中，預處理至少24小時。

3.3樣品測試

3.3.1調節(jié)測試環(huán)境

環(huán)境溫度控制在（23±2）℃范圍內，相對濕度控制在（40-60）%范圍內。

3.3.2VNA預熱

開啟網絡分析儀及諧振腔的電源，預熱30min，使系統進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；

3.3.3試樣厚度的測量

用經過校準的精度為0.001mm的千分尺對樣品厚度進行測量，測試點包含樣品外側（5~10）

mm處的4個點及樣品的中心點，共計5個點。5個點的測試結果取算數平均值，即為測試樣品的

厚度；

3.3.4介電特性的測量

網分預熱結束后，測試空腔諧振頻率和空腔品質因子并進行記錄，然后將樣品置入開放式共聚

焦諧振腔，測試有載諧振頻率和有載品質因子，對測試數據進行記錄并保存。通過超越方程運算求

解折射率n從而得到介電常數，通過加載前后品質因數變化推導求解樣品的介電損耗角正切。

3.4數據處理'

?????

3.4.1計算介電常數

）多個連續(xù)頻段的諧振頻率由公式（）計算可得：

afq1

c1D1

fq1tan1(q)2....................................(1)

q

2DqR0Dq

b）介電常數計算公式如式(9)和（10）所示：

對稱式，S模式時：(2)

1

??????????=????????

非對稱式，A模式時：(3)

1

??????????=?????????

n2..........................................................................................(4)

式中：

；

k2fs/c

t

1；

ttan

nz0

dt

11；

dtan()tan

z0nz0

2

2D(RD)；

0k0

4

2z

222；

(z)01()

k0

2''；

z0d(R0d)

；

dDqt

t

d'd；

n2

R

0－凹球面鏡的曲率半徑，單位mm；

q－對應TEM00q模式的軸向模式數；

f

q－加載樣品后的腔諧振頻率，單位Hz；

0－束腰半徑，單位為mm；

c－光速，c=3×1011mm/s；

D

q－樣品到凹面鏡的距離，單位mm；

f－諧振頻率，單位Hz；

(z)距離平面鏡高度z時的束腰半徑，單位為mm；

c)損耗角正切值計算公式如式（11）所示：

1td

tan................................(5)

Q1

etsin2(kd

2kd

式中：

111

()()；

QeQdQl

2(td)

QQ；

l0D(1)

對稱式，模式下：

2

?

222

S?=??????????+?????????

非對稱式，模式下：

2

?

222

Qd－放入樣A品后的無載品質因數?=??????????+?????????

Ql－放入理想無耗樣品的品質因數

Q0－空腔的無載品質因數

3.5比對測試過程

將PS、9K7樣品按照標準進行測試，每個樣品測試3次，取3次結果的算術平均值為最終結果。

4.實驗室間比對

4.1不確定度評定

5

4.1.1測量重復性引入的不確定度

4.1.2試樣厚度引入的不確定度

4.1.3諧振頻率引入的不確定度

4.1.4逐次逼近算法引入的不確定度

4.2測試數據分析

比對參加單位對樣品PS、9K7樣品的實驗結果如表1、表2所示，En值圖如圖1、圖2所示。

表1樣品PS測試數據及分析

比對參加擴展不確擴展不確

單位定度定度

介電常數En介電損耗En

（k=2）（k=2）

12.640.05280.73267.00E-048.35E-050.7346

22.630.039450.81185.20E-041.00E-04-0.2057

32.480.0496-0.68045.04E-046.19E-05-0.4099

42.470.0494-0.77365.33E-046.51E-05-0.2050

表2樣品9K7測試數據及分析

比對參加擴展不確擴展不確

單位定度定度

介電常數En介電損耗En

（k=2）（k=2）

16.650.06650.05141.80E-032.05E-040.1690

26.730.033650.97271.90E-031.00E-040.6633

36.610.0661-0.22411.58E-031.80E-04-0.3629

46.580.0658-0.43251.62E-031.85E-04-0.2577

6

圖1PS實驗室間比對En值圖

圖29K7實驗室間比對En值圖

5.比對結果評價

經計算，各家實驗室測量結果的不確定度水平相近，故采用4家實驗室的測量結果算術平均值

作為參考值，采用En值統計法對測量結果離散性進行評價。根據JJF1117-2010《計量比對》，若|En|

≤1，則參加實驗室的測量結果與參考值之差在合理的預期之內，比對結果可接受。從表1、表2

和圖1、圖2可知，各比對參加實驗室的結果均可接收。計算結果說明測量方法可靠、可操作性，

且普遍性好，能保證測量方法的一致性。

7

附錄

參加單位與編號對應表

參加單位編號參加單位

1北京無線電計量測試研究所

2電子四院

3山東國瓷功能材料股份有限公司

4臺灣工業(yè)技術研究院

五、與國際同類標準水平對比情況

日本標準JISR1660-2:2004《毫米波段精細陶瓷介電性能的測量方法-第2部分：開放式諧振

腔法》中使用了開放式共聚焦諧振腔的方法，其測試頻率范圍為50-300GHz，本標準的頻率范圍為

20-110GHz。與日本標準相比，本標準可覆蓋我國5GFR2波段24.25-52.6GHz，可更好滿足樣品在

5G通信領域內的測試需求。

六、與有關的現行法律、法規(guī)和強制性標準的關系

本部分編制原則符合國家的有關法規(guī)法律，與強制性標準協調一致。

七、重大分歧意見的處理經過和依據

暫無。

八、貫徹標準的要求和措施建議（包括組織措施、技術措施、過渡辦法等內容）

暫無。

九、廢止現行有關標準的建議

因無相關的現行標準，本款不適用。

十、其他應予說明的事項

暫無。

8

毫米波頻段材料介電性能測試開放式共聚焦諧振腔法

Measurementofdielectricpropertiesofmaterialsinmillimeterwave

frequency—Confocaltypeopenresonatormethod

編制說明

毫米波頻段材料介電性能測試開放式共聚焦諧振腔法

CSTM標準編制工作組

2022年10月14日

編制說明

1

毫米波頻段材料介電性能測試開放式共聚焦諧振腔法

CSTM標準編制說明

一、編制標準的目的和意義

介質材料廣泛應用于電子通信、航空航天、軍事裝備等民用和軍事領域，介電性能是材料在通

信產業(yè)應用的最主要的性能指標。因此，介電性能的測試對于材料生產廠家及下游客戶尤為重要。

只有適用的測試方法才能保證數據一致性，減少測試偏差帶來的不必要的經濟損失。本文件規(guī)定了

使用開放式共聚焦諧振腔，在毫米波頻段進行材料介電性能測試的具體方法，可滿足介質材料的研

究、生產與應用的測試需求。

共有4家單位參與了本次比對，主要目的是驗證建立介電性能測試方法的一致性、可靠性，比

對結果通過En評定，結果顯示4家單位的比對結果均為合格且離散性很小。

二、工作簡況

1.主要參加單位和工作組成員等

本文件由山東國瓷功能材料股份有限公司主導并組織中國計量科學研究院聯合起草。

主要成員：宋錫濱、任玲玲、朱恒、孫瑩瑩、艾遼東、奚洪亮、李碩、楊宏偉、邢晶。

工作過程

2021年9月，開放式共聚焦諧振腔標準起草工作組組建，工作組包括具有標準制定經驗的科

研人員、分析技術人員。標準起草工作組討論了具體的工作過程、擬定了相應的工作計劃。經過討

論，標準的名稱為《毫米波頻段材料介電性能測試第2部分開放式共聚焦諧振腔法》，本文件的

制定是為了規(guī)范毫米波波段電介質材料介電性能的測試，獲得準確的介電性能信息，對于介質材料

在毫米波波段介電性能測試技術的標準化具有積極的意義。本標準的具體工作計劃如下：

2022年6月，工作組開始起草標準草案和編制說明。

2022年6月，工作組組織專家進行了線上立項答辯，CSTM標準委員會批準立項，立項號為

CSTMLX000001011—2022。

2022年7月至10月，工作組設計比對方案，組織實驗室間比對，完成編制說明。

2022年11月，完成征求意見并召開終審會，形成標準報批稿。

2022年12月，委員會投票，上報標委會，標準發(fā)布。

三、標準編制原則

2

標準中相應的部分依據的標準編號依據的標準名稱

1.《準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草

標準的結構1.GB/T1.1-2020

規(guī)則》

儀器方法1.SJ/T11433-20121.《矢量網絡分析儀通用規(guī)范》