毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法 準(zhǔn)光腔法 標(biāo)準(zhǔn)文本

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

團體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTMXXXXX—202X

毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

測試方法——準(zhǔn)光腔法

Measurementmethodfordielectricconstantanddielectriclosstangentin

millimeterwavefrequencyrange:Quasi-opticalcavitymethod

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTMXXXXX—2022

前言

本文件參照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》，GB/T20001.4

—2015《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》給出的規(guī)則起草。

請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。

本文件由中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會XXXX領(lǐng)域委員會（CSTM/FCXX）提出。

本文件由中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會XXXX領(lǐng)域委員會（CSTM/FCXX）或技術(shù)委員會

（CSTM/FCXX/TCXX）歸口。

2

T/CSTMXXXXX—2022

引言

本標(biāo)準(zhǔn)采用準(zhǔn)光腔變頻法進行測試，規(guī)定25GHz~110GHz寬帶范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角

正切以及介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法。對比國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)情況，本標(biāo)準(zhǔn)改進優(yōu)

化的地方：a）根據(jù)發(fā)展需求，添加復(fù)介電常數(shù)的溫漂測試（TCDk、TCDf）標(biāo)準(zhǔn)（-65℃~125℃），補

充國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)欠缺；b）細(xì)化了測試步驟，提高測試的一致性和可重復(fù)性；c）描述了在試驗過程中影響試

驗結(jié)果的注意事項。

3

T/CSTMXXXXX—2022

毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔測試法

重要提示（危險或警告或注意）：使用本文件的人員應(yīng)有正規(guī)實驗室工作的實踐經(jīng)驗。本文件并未

指出所有可能的安全問題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證符合國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的

條件。

1范圍

本文件規(guī)定了利用準(zhǔn)光腔測定介質(zhì)基板毫米波波段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。

本文件適用于測試片狀固體材料在毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。

測試頻率范圍：??=25GHz~110GHz；

測試介電常數(shù)范圍：???=2.0~20.0；

測試損耗角正切值范圍：tan?=1.0×10?4~1.0×10?2；

測試溫度范圍：-65℃~125℃。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅

該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T2036-94印制板電路術(shù)語

3術(shù)語和定義

GB/T2036-1994界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

介電常數(shù)dielectricconstant

規(guī)定形狀電極之間填充電介質(zhì)獲得的電容量于相同結(jié)構(gòu)電極間以真空或空氣介質(zhì)時的電容量之比。

[來源：GB/T2036-1994，6.3.6]

3.2

介質(zhì)損耗角正切dielectricdissipationfactor

對電介質(zhì)施加正弦波電壓時，通過介質(zhì)的電流相量超前于電壓相量間的相角的余角稱為損耗角，對該損

耗角取正切函數(shù)值為損耗因數(shù)，即為介質(zhì)損耗角正切值。

[來源：GB/T2036-1994，6.3.7]

4符號和縮略語

???：介電常數(shù)，同義詞：Dk

tan?：介電損耗角正切，同義詞：Df

c：光速，2.998×1011mm/s

4

T/CSTMXXXXX—2022

：束腰半徑

R0：球面鏡的曲率半徑

：腔長，平面反射鏡和球面反射鏡間的距離

?：真空介電常數(shù)

：真空磁導(dǎo)率

：樣品表面和球面反射鏡間的距離

：諧振角頻率

：樣品材料折射率

：放入待測樣品后準(zhǔn)光腔品質(zhì)因數(shù)

：放入待測樣品前無載準(zhǔn)光腔品質(zhì)因數(shù)

W：準(zhǔn)光腔內(nèi)部儲能

P：一個周期內(nèi)諧振腔內(nèi)部平均的損耗功率

-6

TCDk：介電常數(shù)???的溫度系數(shù)，10/℃

-6

TCDf：介電損耗角正切值tan?的溫度系數(shù)，單位10/℃

T1、T2：測試溫度，℃

Dk(T1)：T1溫度下的介電常數(shù)

Dk(T2)：T2溫度下的介電常數(shù)

Df(T1)：T1溫度下的介電損耗角正切值

Df(T2)：T2溫度下的介電損耗角正切值

5原理

本文件準(zhǔn)光腔測試方法采用變頻法進行測試，準(zhǔn)光腔諧振腔由一球面鏡和一平面鏡構(gòu)成，通過測量

空腔和加載樣品后的諧振頻率變化以及腔體品質(zhì)因數(shù)Q值的變化，計算被測樣品的介電常數(shù)和介質(zhì)損

耗角正切。

圖1準(zhǔn)光腔結(jié)構(gòu)圖

詳細(xì)測試原理見附件A。

6試驗條件

本試驗測試條件為溫度：23℃±2℃，濕度：50%±5%，試驗時環(huán)境溫度的波動不應(yīng)超過1℃。

5

T/CSTMXXXXX—2022

7儀器設(shè)備

本試驗所需適用于規(guī)定程序的儀器設(shè)備如下：

a)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍應(yīng)覆蓋25GHz至110GHz。

b)準(zhǔn)光腔變溫測試系統(tǒng)。

c)溫度控制儀。

d)低溫恒溫反應(yīng)浴。

e)真空泵。

f)高溫干燥箱，溫度能滿足105℃﹢5℃/-2℃。

g)千分尺，分辨率0.001mm或更好。

8樣品

本方法規(guī)定的試樣如下：

a)試樣尺寸應(yīng)當(dāng)為直徑50mm的圓片狀樣品或者50mm×50mm的正方形片狀樣，厚度1mm~3mm。

b)若基板為表面覆金屬箔，應(yīng)當(dāng)用蝕刻方法去除掉所有的金屬箔并清洗干凈。

c)樣品的平面度應(yīng)優(yōu)于0.02mm。

d)樣品應(yīng)為均勻介質(zhì)，表面光滑平整潔凈，內(nèi)部無不正常的雜質(zhì)和氣孔，在測試前應(yīng)嚴(yán)格清潔和

干燥處理。

9試驗步驟

9.1樣品預(yù)處理

具體流程如下：

a)根據(jù)樣品屬性，選擇酒精、異丙醇或者蒸餾水（特殊情況可根據(jù)基板制造商要求使用指定的清

洗液）作為清洗液，將樣品完全浸入清洗液中超聲清洗不低于10min。

b)樣品清洗后，將試樣應(yīng)置于105℃﹢5℃/-2℃高溫干燥箱中烘干處理2h＋10min/-0min。

c)烘干后，樣品應(yīng)放入23℃±2℃的干燥皿中冷卻至室溫，冷卻后存儲時間不超過45min。

注：操作前應(yīng)戴上手套或者用鑷子夾取樣品，請勿用手直接接觸樣品，請勿在樣品上寫字或貼標(biāo)簽

等。

9.2測試儀器預(yù)備

網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)備應(yīng)在制造商推薦的校準(zhǔn)周期內(nèi)進行校準(zhǔn)，測試前主機至少開機預(yù)熱30min，使儀器

達到穩(wěn)定。

9.3測量樣品尺寸

使用千分尺測量樣品厚度t，并記錄。

注：操作前應(yīng)戴上手套，請勿用手直接接觸樣品，請勿在樣品上寫字或者貼標(biāo)簽，會影響測試結(jié)果。

9.4常溫測試

本方法測量程序如下：

a)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，將測試系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接。

b)設(shè)置掃描頻率。

6

T/CSTMXXXXX—2022

c)根據(jù)測試頻率，調(diào)整屏蔽板高度。

d)空腔校準(zhǔn)，測量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

e)將樣品放置在測試樣品臺上，并保證樣品平整地放置在樣品臺中央。

f)樣品測試，測量包含樣品時準(zhǔn)光腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

g)計算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，或者使用自動測量讀取數(shù)據(jù)計算軟件直接計算。

h)測試不同頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，重復(fù)步驟b）-g）。

9.5高溫測試

本方法測量程序如下：

a)同9.4常溫測試a）-c）。

b)密封測試系統(tǒng)。

c)設(shè)置溫度控制儀測試溫度，開始升溫，當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定至少15分鐘。

d)待溫度穩(wěn)定后，空腔校準(zhǔn)，測量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

e)設(shè)置溫度控制儀至常溫，開始降溫，當(dāng)測試系統(tǒng)達到常溫，將樣品放置在測試樣品臺上，并保

證樣品平整地放置在樣品臺中央。

f)重復(fù)步驟b）-c）

g)待溫度穩(wěn)定后，開始測試，測量包含樣品的準(zhǔn)光腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

h)計算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，或者使用自動測量讀取數(shù)據(jù)計算軟件直接計算。

i)測試不同溫度的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角，先將測試系統(tǒng)降溫至常溫狀態(tài)，重復(fù)步驟a）-h）。

9.6低溫測試

本方法測量程序如下：

a)打開低溫恒溫反應(yīng)浴，調(diào)成制冷模式，設(shè)置所需達到的溫度，一般低溫恒溫反應(yīng)浴溫度設(shè)置為

低于測試溫度20℃以上，對低溫恒溫反應(yīng)浴進行降溫處理。

b)同9.4常溫測試a）-c）。

c)密封測試系統(tǒng)，并對測試系統(tǒng)適當(dāng)抽真空。

d)設(shè)置溫度控制儀測試溫度，開始降溫，當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定至少15分鐘。

e)待溫度穩(wěn)定后，空腔校準(zhǔn)，測量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

f)設(shè)置溫度控制儀至常溫，開始升溫，當(dāng)測試系統(tǒng)加熱至常溫，將樣品放置在測試樣品臺上，并

保證樣品平整地放置在樣品臺中央。

g)重復(fù)步驟c）-d）

h)待溫度穩(wěn)定后，開始測試，測量包含樣品準(zhǔn)光腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

i)計算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，或者使用自動測量讀取數(shù)據(jù)計算軟件直接計算。

j)測試不同溫度的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角，先將測試系統(tǒng)升溫至常溫狀態(tài)，重復(fù)步驟a）-i）。

注：低溫測試時，需要同時向測試系統(tǒng)注入保護氣體（氮氣），保證測試空間內(nèi)不存在結(jié)霜或者結(jié)

冰現(xiàn)象。

10計算公式

10.1介電常數(shù)???的計算公式：

tan[???(?)]=tan[(?)]………………..………（1）

2

???=……………….……..……………….（2）

7

T/CSTMXXXXX—2022

式中：

?1??

??(?)=tan()………….…..……………….（3）

?0

??

?+

?1??1??

(?)=tan()tan()……………….……..…（4）

0?0

2????

2=√(+)(??)……………….……...…（5）

???2?

????

?=√(+)(??)……………….……..…….（6）

??

=?……………….……..……………….（7）

=√?……………….……..…………….（8）

10.2介電損耗角正切tan?的計算公式

1??+?

tan?=……..……………….（9）

??+2(????(??))

2

111

=……………….……..………（10）

0

2(??+?)

=……………（11）

(+1)

?2

=222…..……………（12）

?(??????(??))+(??????(??))

10.3介電常數(shù)溫度系數(shù)：

??()???()

=2×10………………（13）

(2?)×??()

10.4介電損耗角正切溫度系數(shù)：

()?()

??=2×10………………（14）

(2?)×()

11附加信息

11.1精度

常溫：

|???????|≤2.5%

?4

|tan?|≤10%×tan?+5.0×10

變溫：

|???????|≤2.5%

?4

|tan?|≤25%×tan?+2.1×10

8

T/CSTMXXXXX—2022

注：精度與樣品均勻性有關(guān)，

11.2維護

a)定期清潔測試頭、標(biāo)準(zhǔn)物、夾具。

b)定期清理樣品臺，使用柔軟的小毛刷輕拭樣品臺表面，切勿按壓擦拭。若被測樣品如有顆粒粉

末灰塵，需要再測試完畢后立即對樣品臺進行清理。

c)保持測試夾具內(nèi)部環(huán)境干燥，可在清理樣品臺后，關(guān)閉蓋子放置干燥劑，若有條件的可再沖入

氮氣1~2s。

d)拆卸電纜、波導(dǎo)時，動作輕柔，使用專用工具拆卸。

11.3注意事項

本方法注意事項如下：

a)測試過程中應(yīng)佩戴連接至設(shè)備的防靜電手環(huán)。

b)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜時，應(yīng)使用制造供應(yīng)商提供的的力矩扳手旋緊。

c)高/低溫測試時，被測樣品不能與樣品臺發(fā)生反應(yīng)；不能測試高溫狀態(tài)下會融化的材料。

d)為了預(yù)防高/低測試對測試夾具造成的損壞，應(yīng)定期用標(biāo)準(zhǔn)物對測試系統(tǒng)進行校驗。

12試驗報告

試驗報告應(yīng)包括：

a)對于室溫測試，試驗報告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：

1)測試環(huán)境（溫度、濕度）；

2)測試頻率；

3)樣品厚度；

4)測試頻率下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測試值以及平均值；

5)試樣預(yù)處理條件；

6)試驗中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。

b)對于熱溫度系數(shù)測試，試驗報告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：

1)測試環(huán)境（溫度、濕度）；

2)測試頻率；

3)樣品厚度；

4)測試溫度（T1、T2）；

5)測試溫度（T1、T2））下的介電常數(shù)Dk(T1)、Dk(T2)和介質(zhì)損耗角正切Df(T1)、Df(T2)；

6)介電常數(shù)溫度系數(shù)TCDk和介質(zhì)損耗角正切溫度系數(shù)TCDf計算結(jié)果；

7)如果需要多個測試溫度，報告介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的隨溫度變化的曲線圖；

8)試樣預(yù)處理條件；

9)試驗中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。

9

T/CSTMXXXXX—2022

附錄A

（資料性）

測試原理

A.1介電常數(shù)測試原理

準(zhǔn)光腔內(nèi)的場以高斯波束的形式傳播，將圖1中準(zhǔn)光腔內(nèi)部劃分為兩個區(qū)域，V1表示放入介質(zhì)區(qū)域，V2

表示空氣區(qū)域。在V1區(qū)域，束腰位置可知為z=0，最后得到V1區(qū)域的場內(nèi)：

22

20???

1=*2+n*1()++……（1）

()()2()

22

020???

1=n√*2+*1()++…………….……（2）

0()()2()

其中參數(shù)：

12

?1==?

2

22

2()22

1=(1+2)=(1+22)

?1?

222

?1?

??()=(1+)=(1+)

122

?1?1

1()=tan=tan

{?1?

在V2區(qū)域，設(shè)腰束位置在z=z2處，可得V2區(qū)域內(nèi)的場表達式為：

22

+0??

*2+*(2()+)+

2()2()22()

2={22}…………..………（3）

?0??

+*2+*(2()+)+

2()2()22()

22

+00??

√*2+*(2()+)+

02()2()22()

=………………（4）

222

?00??

+√*2+*(2()+)+

{02()2()22()}

其中參數(shù)：

12

?2==?

2

()2()2

22222

2()=(1+2)=(1+2)

?2?

22

?1?

??2()=(2)(1+2)=(2)(1+2)

(2)(2)

()()

?12?12

2()=tan=tan

{?2?

R(z)波前曲率半徑；高斯波束的相位。

準(zhǔn)光腔內(nèi)的場以高斯波束的形式存在，高斯波束在兩個區(qū)域的交界處滿足邊界條件，將分界面處的高斯

22

波束進行參數(shù)匹配，即滿足z=t時，1(?)=2(?),??1(?)=??2(?)，帶入上式可得2：

?

=?

2

在球面反射鏡處，曲率半徑匹配有??2(?+)=??,帶入上式可得：

10

T/CSTMXXXXX—2022

?=√(?+)(???+2)

準(zhǔn)光腔內(nèi)邊界條件有球面鏡處切向電場為零，在介質(zhì)和空氣兩個區(qū)域的交界處切向電場相等且磁場連續(xù)

即有：

2|??+?=0

{|??=2|??………………..………（5）

|??=2|??

經(jīng)過化簡整理得：

tan[?1(?)]=tan[2(?)+2(?+)]

通過以上分析可以得到相對介電常數(shù)計算公式，再通過實驗測得被測樣品的厚度t，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析

儀精確測得諧振參數(shù)，將結(jié)果代入計算公式，即可得數(shù)值解出被測樣品的介電常數(shù)。

A.2損耗角正切測試原理

準(zhǔn)光腔放入樣品材料前測得空腔的品質(zhì)因數(shù)為，放入樣品后的品質(zhì)因數(shù)為1，則樣品損耗引入的品

質(zhì)因數(shù)表達式為：

111

=

1

放入樣品后，準(zhǔn)光腔內(nèi)總儲能為：

122

?={∫(??||2+||)?+∫(??||2+||)?}

4??11??22

??2

樣品材料再一個時間周期內(nèi)的平均功率損耗為：

1

??=ω??tan?∫||2?

2??1

?

根據(jù)品質(zhì)因數(shù)計算公式??=?/??，聯(lián)立上述公式，可得介質(zhì)損耗正切計算公式，Q0s和Q0O都是測量

值，測試時先測得空腔狀態(tài)下得諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，再測量加載樣品后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，將計算得

到的相對介電常數(shù)帶入損耗角正切值計算公式后得到介質(zhì)損耗角正切的結(jié)果。

11

T/CSTMXXXXX—2022

附錄B

（資料性）

測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2測試系統(tǒng)

12

T/CSTMXXXXX—2022

附錄C

（資料性）

起草單位和主要起草人

本文件起草單位：

本文件主要起草人：XXXXX

13

T/CSTMXXXXX—2022

參考文獻

_________________________________

14

T/CSTMXXXXX—2022

目次

前言...............................................................................2

引言...............................................................................3

1范圍...............................................................................4

2規(guī)范性引用文件.....................................................................4

3術(shù)語和定義.........................................................................4

4符號和縮略語.......................................................................4

5原理...............................................................................5

6試驗條件...........................................................................5

7儀器設(shè)備...........................................................................6

8樣品...............................................................................6

9試驗步驟...........................................................................6

9.1樣品預(yù)處理.....................................................................6

9.2測試儀器預(yù)備...................................................................6

9.3測量樣品尺寸...................................................................6

9.4常溫測試.......................................................................6

9.5高溫測試.......................................................................7

9.6低溫測試.......................................................................7

10計算公式..........................................................................7

10.1介電常數(shù)??的計算公式..........................................................7

10.2介電損耗角正切tan??的計算公式.................................................8

10.3介電常數(shù)溫度系數(shù)..............................................................8

10.4介電損耗角正切溫度系數(shù)........................................................8

11附加信息..........................................................................8

11.1精度..........................................................................8

11.2維護..........................................................................9

11.3注意事項......................................................................9

12試驗報告..........................................................................9

附錄A（資料性）測試原理............................................................10

附錄B（資料性）測試系統(tǒng)............................................................12

附錄C（資料性）起草單位和主要起草人................................................13

1

T/CSTMXXXXX—2022

毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔測試法

重要提示（危險或警告或注意）：使用本文件的人員應(yīng)有正規(guī)實驗室工作的實踐經(jīng)驗。本文件并未

指出所有可能的安全問題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證符合國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的

條件。

1范圍

本文件規(guī)定了利用準(zhǔn)光腔測定介質(zhì)基板毫米波波段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。

本文件適用于測試片狀固體材料在毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。

測試頻率范圍：??=25GHz~110GHz；

測試介電常數(shù)范圍：???=2.0~20.0；

測試損耗角正切值范圍：tan?=1.0×10?4~1.0×10?2；

測試溫度范圍：-65℃~125℃。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅

該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T2036-94印制板電路術(shù)語

3術(shù)語和定義

GB/T2036-1994界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

介電常數(shù)dielectricconstant

規(guī)定形狀電極之間填充電介質(zhì)獲得的電容量于相同結(jié)構(gòu)電極間以真空或空氣介質(zhì)時的電容量之比。

[來源：GB/T2036-1994，6.3.6]

3.2

介質(zhì)損耗角正切dielectricdissipationfactor

對電介質(zhì)施加正弦波電壓時，通過介質(zhì)的電流相量超前于電壓相量間的相角的余角稱為損耗角，對該損

耗角取正切函數(shù)值為損耗因數(shù)，即為介質(zhì)損耗角正切值。

[來源：GB/T2036-1994，6.3.7]

4符號和縮略語

???：介電常數(shù)，同義詞：Dk

tan?：介電損耗角正切，同義詞：Df

c：光速，2.998×1011mm/s

4