T-CSTM 00985-2023 低損耗介質(zhì)板的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試 分離式圓柱諧振腔法

Testmethodforthecomplexpermittivityoflow-lossdielectricplates-2023-04-07發(fā)布2023- 2 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 8 8 8 8 9 2請(qǐng)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(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。34低損耗介質(zhì)板的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試分離式圓柱諧振腔法題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證本文件規(guī)定了介質(zhì)平板材料在微波和毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的分離式圓柱諧振腔法，包括原理、環(huán)境條件、儀器設(shè)備、樣品要求、測(cè)試步驟、計(jì)算公式、注意事項(xiàng)和試驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容。本文件適用于測(cè)試片狀材料在微波和毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，電場(chǎng)平行于平板表面。介電常數(shù)測(cè)試范圍：εIr=2.0~10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(duì)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印制板電路術(shù)語(yǔ)GB/T2036界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。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)間以真空或空氣介質(zhì)時(shí)的電容量之比。[來源：GB/T2036-1994，6.3.6]介電損耗角正切dielectricdissipati對(duì)電介質(zhì)施加正弦波電壓時(shí)，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(duì)該損耗角取正切函數(shù)，即為介質(zhì)損耗角正切值，也稱為損耗因數(shù)。[來源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]4符號(hào)和縮略語(yǔ)下列符號(hào)和縮略語(yǔ)適用于本文件。：真空介電常數(shù)，約等于8.854187817×10-12F/m:,相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部，簡(jiǎn)稱介電常數(shù)，同義詞：Dk:,介電損耗角正切，同義詞：DfH：腔體總高度，mmD：圓柱腔體直徑，mmf：諧振頻率，HzQ：品質(zhì)因數(shù)TCDk：介電常數(shù)的溫度系數(shù)，單位10-6/℃TCDf：介電損耗角正切值的溫度系數(shù)，單位10-6/℃T1：測(cè)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分離式圓柱諧振腔測(cè)試方法采用分離式圓柱諧振腔進(jìn)行測(cè)試，分離式圓柱諧振腔由兩個(gè)直徑為D，長(zhǎng)度為M，且其中一端短路的兩個(gè)半腔體構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。將厚度t、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切為和的電介質(zhì)板樣品夾在兩個(gè)半腔之間，即可構(gòu)成諧振腔，該諧振腔的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q值與介質(zhì)的和相關(guān)。在圖1中，圖1a)為實(shí)際測(cè)量時(shí)對(duì)應(yīng)的精確模型，圖1b)為不考慮法蘭邊緣效應(yīng)影響的簡(jiǎn)化模型。由于法蘭處的邊緣效應(yīng)所帶來的影響通常較小，所以在測(cè)試時(shí)采取如圖1b)所示模型近似計(jì)算，再通過根據(jù)如圖1a)所示精確模型預(yù)先求得的修正曲線得到、的準(zhǔn)確值。計(jì)算公式參見附錄A。在測(cè)量時(shí)，采用TE01n模式，因此只有與樣品平面平行方向的電場(chǎng)分量。a)精確模型b)、諧振腔計(jì)算模型圖1加載介質(zhì)的分離腔模型試驗(yàn)環(huán)境條件如下：a）溫度：23℃±2℃;b）濕度：50%±5%。6所需儀器設(shè)備如下：a）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍應(yīng)覆蓋所需最高測(cè)試頻率，動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于80dB；b）分離式圓柱諧振腔法測(cè)試系統(tǒng)，參見附錄B，分離式圓柱諧振腔尺寸設(shè)計(jì)原則參見附錄B.3；d）千分尺，分辨率不低于0.001mm。樣品要求如下：a）被測(cè)樣品橫向尺寸應(yīng)大于等于腔體直徑的1.5倍，形狀無特殊要求；b）被測(cè)樣品的厚度t可覆蓋0.01mm~10mm（具體視、以及測(cè)試的頻率范圍而定被測(cè)區(qū)域內(nèi)厚度差應(yīng)不超過總厚度的1/100；c）被測(cè)樣品應(yīng)為均勻介質(zhì)，表面應(yīng)無不正常斑點(diǎn)，內(nèi)部無不正常的雜質(zhì)和氣孔。9測(cè)試步驟9.1樣品預(yù)處理樣品按以下流程進(jìn)行處理：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)材料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，根據(jù)樣品屬性，選擇是否對(duì)樣品進(jìn)行烘干處理。若無需烘干，則進(jìn)行步驟c否則，c)樣品放入干燥皿中冷卻至室溫（23℃±2℃);d)操作前應(yīng)戴上手套或者用鑷子夾取樣品，請(qǐng)勿用手直接接觸樣品，請(qǐng)勿在樣品上寫字或貼標(biāo)簽等。9.2儀器準(zhǔn)備矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)在校準(zhǔn)周期內(nèi)進(jìn)行檢定，按照制造廠家給定的開機(jī)預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱或至少開機(jī)預(yù)熱30min，使儀器達(dá)到穩(wěn)定。9.3樣品尺寸測(cè)量使用千分尺測(cè)量樣品四邊中點(diǎn)厚度，共計(jì)4個(gè)點(diǎn)，取平均值并記錄。操作前應(yīng)戴上手套，請(qǐng)勿用手直接接觸樣品，請(qǐng)勿在樣品上寫字或者貼標(biāo)簽，會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。9.4空腔校準(zhǔn)測(cè)試空腔校準(zhǔn)測(cè)試步驟如下：a)將未加載樣品的腔體上下兩部分閉合；b)根據(jù)測(cè)試頻率需求選定相應(yīng)的測(cè)試模式；c)設(shè)置掃描頻率，觀察諧振峰值，手動(dòng)對(duì)稱調(diào)節(jié)耦合裝置插入諧振腔的深度，使諧振峰值調(diào)節(jié)到預(yù)置的某一位置（建議將諧振峰調(diào)節(jié)在-50dB(±1dB）或設(shè)備要求值d)進(jìn)行空腔校正，測(cè)量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；e)要校準(zhǔn)多個(gè)頻率，重復(fù)步驟9.4b)~9.4d)；f)無特殊要求，空腔校準(zhǔn)測(cè)試僅需測(cè)量TE011和TE012（或TE013）兩個(gè)模式即可。9.5常溫測(cè)試常溫測(cè)試步驟如下：a)將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個(gè)端口通過電纜連接，進(jìn)行直通校準(zhǔn)或響應(yīng)校準(zhǔn)；b)根據(jù)測(cè)試頻率需求，將工作于相應(yīng)頻率范圍的測(cè)試設(shè)備與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接；c)進(jìn)行空腔校準(zhǔn)測(cè)試，同9.4a)~9.4e)；d)將被測(cè)樣品夾在兩個(gè)半腔之間，參見附錄B.2中圖B.2所示；e)重復(fù)步驟9.4b)~9.4c)，進(jìn)行樣品測(cè)試，測(cè)量加載樣品時(shí)分離式圓柱腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；f)使用自動(dòng)測(cè)量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計(jì)算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；g)測(cè)試不同頻率點(diǎn)的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，重復(fù)步驟9.5e)~9.5f)。9.6高溫測(cè)試高溫測(cè)試步驟如下：a)見9.5a)~9.5b)；b)密封測(cè)試設(shè)備；c)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)溫度，開始升溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定不少于15min；d)待溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行空腔校準(zhǔn)測(cè)試，同9.4a)~9.4e)；e)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)至常溫（25℃),開始降溫，待達(dá)到常溫后，將被測(cè)樣品夾在兩個(gè)半腔之間；f)重復(fù)步驟9.6b)~9.6c)；g)待溫度穩(wěn)定后，開始測(cè)試，測(cè)量加載樣品時(shí)分離式圓柱腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；h)使用自動(dòng)測(cè)量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計(jì)算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；i)測(cè)試不同溫度的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，先將測(cè)試系統(tǒng)降溫至常溫狀態(tài)，重復(fù)步驟9.6b)~9.6h)。9.7低溫測(cè)試低溫測(cè)試步驟如下：a)見9.5a)~9.5b)；b)打開測(cè)試系統(tǒng)的低溫恒溫反應(yīng)浴，調(diào)成制冷模式，設(shè)置所需達(dá)到的溫度，一般反應(yīng)浴溫度設(shè)置為低于測(cè)試溫度20℃以上，對(duì)低溫恒溫反應(yīng)浴進(jìn)行降溫處理；c)密封測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試設(shè)備適當(dāng)抽真空，同時(shí)向測(cè)試系統(tǒng)注入保護(hù)氣體（氮?dú)獗苊饨Y(jié)霜或者結(jié)冰現(xiàn)象；d)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)溫度，開始降溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定至少15min；e)待溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行空腔校準(zhǔn)測(cè)試，同9.4a)~9.4e)；f)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)至常溫（25℃),開始升溫，待加熱至常溫后，停止抽真空和保護(hù)氣體的注入；g)將被測(cè)樣品夾在兩個(gè)半腔之間；h)重復(fù)步驟9.7c)~9.7d)；i)待溫度穩(wěn)定后，開始測(cè)試，測(cè)量加載樣品時(shí)分離式圓柱腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；j)使用自動(dòng)測(cè)量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計(jì)算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；k)測(cè)試不同溫度的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，先將測(cè)試系統(tǒng)升溫至常溫狀態(tài)，重復(fù)步驟9.7b)~9.7j)。8介電常數(shù)溫度系數(shù)按公式（1）計(jì)算。介質(zhì)損耗角正切溫度系數(shù)按公式（2）計(jì)算。注意事項(xiàng)如下：a)定期清潔夾具、標(biāo)準(zhǔn)物；b)定期清理法蘭面，使用柔軟的小毛刷輕拭法蘭面表面，切勿按壓擦拭。若被測(cè)樣品如有顆粒粉末灰塵，需要在測(cè)試完畢后立即對(duì)法蘭面進(jìn)行清理；c)保持測(cè)試夾具內(nèi)部環(huán)境干燥，可在清理法蘭面后，關(guān)閉蓋子放置干燥劑，若有條件的可再充入氮?dú)猓?~2）s；d)拆卸電纜、波導(dǎo)時(shí)，動(dòng)作輕柔，使用專用工具拆卸；e)測(cè)試過程中應(yīng)佩戴連接至設(shè)備的防靜電手環(huán)；f)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜時(shí)，應(yīng)使用制造供應(yīng)商提供的力矩扳手旋緊；g)高/低溫測(cè)試時(shí)，被測(cè)樣品不能與法蘭面發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：a)對(duì)于常溫測(cè)試，試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：1)測(cè)試環(huán)境（溫度、濕度2)測(cè)試頻率；3)樣品厚度；4)測(cè)試頻率下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)試值以及平均值；5)樣品預(yù)處理?xiàng)l件；6)試驗(yàn)中異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。b)對(duì)于高/低測(cè)試，試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：1)測(cè)試環(huán)境（溫度、濕度2)測(cè)試頻率；3)樣品厚度；4)測(cè)試溫度（T1、T25)測(cè)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(jì)算結(jié)果；7)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值隨溫度變化的曲線圖；8)樣品預(yù)處理?xiàng)l件；9)試驗(yàn)中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。附錄A（資料性）介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切計(jì)算A.1腔體參數(shù)測(cè)量在復(fù)介電常數(shù)測(cè)量之前，由空腔的TE01p和TE01q（通常取TE011、TE012或TE013）諧振模式的測(cè)量確定空腔參數(shù)，例如D、H=2M和σr。其中，D和H可由兩個(gè)模式的實(shí)測(cè)諧振頻率，并通過公式（A.1）和（A.2）計(jì)算得到： （A.1） （A.2）式中：c——真空中的光速，2.99792458×1011mm/s；D——腔體直徑，mm；H——腔體高度，mm；σr——導(dǎo)體電導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn)銅電導(dǎo)率的比值；fp——TE01p模式對(duì)應(yīng)諧振頻率，Hz；fq——TE01q模式對(duì)應(yīng)諧振頻率，Hz；p,q——場(chǎng)量沿縱向分布的半駐波個(gè)數(shù)；——0階第一類貝塞爾函數(shù)導(dǎo)數(shù)的第1個(gè)根，其值約等于3.83173，對(duì)應(yīng)TE01模。σr由測(cè)量值D、H、f1、Quc確定，關(guān)系式如公式（A.3）： （A.3）f1——TE011模式的諧振頻率，Hz；Quc——TE011模式的空載Q值；σ0——標(biāo)準(zhǔn)銅的電導(dǎo)率，5.8×107S/m；μ0——真空磁導(dǎo)率，約等于4π×10-7N·A-2。A.2近似值的計(jì)算公式近似值的計(jì)算見公式（A.4）和公式（A.5 …（A.4） （A.5）X—公式（A.6）中方程的第一個(gè)根，可由Y值計(jì)算出來，滿足公式（A.6）方程： （A.6）式中;,當(dāng)k0-kr<0時(shí)，Y用jY代替。A.3近似值tanδa的計(jì)算公式近似值tanδa的計(jì)算見公式（A.7 （A.7）Rs—腔導(dǎo)體表面電阻率，由下式給出： （A.8）μ和σ—導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率；A和B—常數(shù)，由公式（A.9）和（A.10）給出： （A.9） （A.10）W1e和W2e—儲(chǔ)存在電介質(zhì)板區(qū)域和空氣區(qū)域中的電場(chǎng)能量；Pcy1公式（A.13）、公式（A.14）和公式（A.15）給出： （A.11） （A.12） （A.13） （A.14） （A.15）和tanδ的精確值計(jì)算見公式（A.16）和公式（A.17 （A.16） （A.17）ε'和tanδ—測(cè)量不確定度；Δε'和Δtanδ—被估計(jì)為均方誤差，分別見公式（A.18）和公式（A.19）： （A.18） （A.19）Δε'f,，Δε't,Δε'D和Δε'H—由于f0、t、D和H的標(biāo)準(zhǔn)偏差而導(dǎo)致的ε'的不確定度；Δtanδ—主要?dú)w因于Qu和σr的測(cè)量誤差；ΔtanδQ和Δtanδζ—由于它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差造成tanδ的不確定性。ΔΔε/εa'TE模D/H=1.4TE模D/H=1.4'εaTE模ΔA/AΔA/A250.000.040.080.120.1圖A.1修正項(xiàng)圖A.2修正項(xiàng)（資料性）測(cè)試系統(tǒng)連接框圖B.1測(cè)試系統(tǒng)連接框圖分離式圓柱諧振腔法測(cè)試系統(tǒng)包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、分離式圓柱諧振腔、溫度控制儀、加熱裝置、低溫恒溫反應(yīng)浴、真空泵等，測(cè)試系統(tǒng)連接框圖如圖B.1所示。圖B.1測(cè)試系統(tǒng)連接框圖B.2測(cè)試樣品安裝測(cè)試安裝夾具示意圖如圖B.2所示。圖B.2測(cè)試夾具安裝示意圖標(biāo)引順序說明：1——諧振腔腔壁；2——上半腔體；3——被測(cè)介質(zhì)試樣；4——下半腔體；R——諧振腔半徑；b——法蘭半徑；t——樣品厚度；M——半腔長(zhǎng)度。B.3腔體尺寸為