TCSTM00990-2023毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測(cè)試方法準(zhǔn)光腔法

ICS31.180

CCSL30

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTM00990—2023

毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測(cè)

試方法準(zhǔn)光腔法

Testmethodfordielectricconstantanddielectriclosstangentinmillimeterwave

frequencyrange—Quasi-opticalcavitymethod

2023-04-07發(fā)布2023-07-07實(shí)施

中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTM00990—2023

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

重要提示：使用本文件的人員應(yīng)有正規(guī)實(shí)驗(yàn)室工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。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(guó)家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的條件。

1范圍

本文件規(guī)定了介質(zhì)基板毫米波波段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的準(zhǔn)光腔測(cè)試方法，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、系統(tǒng)誤差、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。

頻率測(cè)試范圍：??=25GHz~110GHz；

介電常數(shù)測(cè)試范圍：=2.0~20.0；

?4?2

損耗角正切值測(cè)試范圍：tan??=1.0×10~1.0×10；

溫度測(cè)試范圍：-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(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)

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T2036界定的術(shù)語(yǔ)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)獲得的電容量與相同電極之間為真空時(shí)的電容量之比。

[來(lái)源：GB/T2036-1994，6.3.6]

3.2

介質(zhì)損耗角正切dielectricdissipationfactor

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)值，即為介質(zhì)損耗角正切值，也稱為損耗因數(shù)。

[來(lái)源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]

4符號(hào)和縮略語(yǔ)

：r=?0，相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部，簡(jiǎn)稱介電常數(shù)，同義詞：Dk

tan??：介電損耗角正切，同義詞：Df

TCDk：介電常數(shù)的溫度系數(shù)，10-6/℃

4

T/CSTM00990—2023

-6

TCDf：介電損耗角正切值tan??的溫度系數(shù)，單位10/℃

T1、T2：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

5原理

采用變頻法進(jìn)行測(cè)試，準(zhǔn)光腔諧振腔由一個(gè)球面鏡和一個(gè)平面鏡構(gòu)成，見圖1，通過測(cè)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(jì)算被測(cè)樣品的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。測(cè)試原理

見附錄A。

圖1準(zhǔn)光腔結(jié)構(gòu)圖

6環(huán)境條件

試驗(yàn)環(huán)境條件如下：

a)溫度：23℃±2℃，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度的波動(dòng)不應(yīng)超過1℃；

b)濕度：50%±5%。

7儀器設(shè)備

所需儀器設(shè)備如下：

a)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍：25GHz~110GHz；

b)準(zhǔn)光腔變溫測(cè)試系統(tǒng)，見附錄B；

半對(duì)稱結(jié)構(gòu)準(zhǔn)光腔測(cè)試頻率：25GHz~110GHz；空腔品質(zhì)因子：≥60000；球面鏡粗糙度：0.1；

球面鏡加工要求；010；

c)高溫干燥箱，溫度能滿足105?2；

d)千分尺，分辨率0.001mm或更好。

5

T/CSTM00990—2023

8樣品

樣品要求如下：

a)樣品尺寸應(yīng)當(dāng)為直徑50mm的圓片狀樣品或者50mm×50mm的正方形片狀樣品，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)樣品的厚度公差優(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(wú)不正常的雜質(zhì)和氣孔，在測(cè)試前應(yīng)嚴(yán)格清潔和干燥

處理。

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)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；

10min

b)樣品清洗后，將樣品置于105?2高溫干燥箱中烘干處理2h?0min；

c)烘干后，樣品放入干燥皿中冷卻至室溫。

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常溫測(cè)試

常溫測(cè)試程序如下：

a)將測(cè)試設(shè)備與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接；

b)根據(jù)需求設(shè)置掃描頻率，并調(diào)整屏蔽板高度；

c)空腔校正，測(cè)量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；

d)將樣品放置在測(cè)樣品品臺(tái)上，并保證樣品平整地放置在樣品臺(tái)中央；

e)樣品測(cè)試，測(cè)量包含樣品時(shí)準(zhǔn)光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)試不同頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，重復(fù)步驟9.4b）～9.4f）。

9.5高溫測(cè)試

高溫測(cè)試程序如下：

a)同9.4a）～9.4b）；

b)密封測(cè)試設(shè)備；

6

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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)定至少15分鐘；

d)待溫度穩(wěn)定后，空腔校正，測(cè)量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；

e)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)至常溫（25℃），開始降溫，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到常溫后，將樣品平整地放置在樣品臺(tái)

中央；

f)重復(fù)步驟9.5b）～9.5c）；

g)待溫度穩(wěn)定后，開始測(cè)試，測(cè)量包含樣品準(zhǔn)光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9.5b）～

9.5h）。

9.6低溫測(cè)試

低溫測(cè)試程序如下：

a)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，一般低溫恒溫反應(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；

b)同9.4a）～9.4b）；

c)密封測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試設(shè)備適當(dāng)抽真空；

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15分鐘；

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

f)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)至常溫（25℃），開始升溫，當(dāng)測(cè)試設(shè)備加熱至常溫，將樣品平整地放置在樣品臺(tái)

中央；

g)重復(fù)步驟9.6c）～9.6d）；

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

i)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；

j)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9.6a）～

9.6i）。

注：低溫測(cè)試時(shí)，需要同時(shí)向測(cè)試系統(tǒng)注入保護(hù)氣體（氮?dú)猓?，保證測(cè)試空間內(nèi)不存在結(jié)霜或者結(jié)冰現(xiàn)象。

10計(jì)算

10.1介電常數(shù)溫度系數(shù)

介電常數(shù)溫度系數(shù)按公式（1）計(jì)算。

()?()

=×10………………（1）

(?)×()

10.2介電損耗角正切溫度系數(shù)

介電損耗角正切溫度系數(shù)按公式（2）計(jì)算。

()?()

??=×10………………（2）

(?)×()

7

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11系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差為：

1）常溫系統(tǒng)誤差：

|??|≤2.5%；

?4

|?tan??|≤10%×tan??+5.0×10；

2）高溫/低溫系統(tǒng)誤差：

|??|≤2.5%；

?4

|?tan??|≤25%×tan??+2.1×10。

12注意事項(xiàng)

注意事項(xiàng)如下：

a)定期清潔測(cè)試頭、標(biāo)準(zhǔn)物、夾具；

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

塵，需在測(cè)試完畢后立即對(duì)樣品臺(tái)進(jìn)行清理)；

c)保持測(cè)試夾具內(nèi)部環(huán)境干燥，可在清理樣品臺(tái)后，關(guān)閉蓋子放置干燥劑，若有條件的可再充入氮?dú)?/p>

1s~2s；

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)商提供的的力矩扳手旋緊；

g)高/低溫測(cè)試時(shí)，被測(cè)樣品不能與樣品臺(tái)發(fā)生反應(yīng)。

13試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告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)中的異常情況或與規(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、T2）；

5)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)損耗角正切值的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。

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附錄A

（資料性）

介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測(cè)試原理

A.1介電常數(shù)測(cè)試原理

A.1.1準(zhǔn)光腔內(nèi)的場(chǎng)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(gè)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(chǎng)內(nèi)見公式（A.1）和公式（A.2）：

2

1=*+n*1()++……（A.1）

()()2()

?2

1=n√*+*1()++…………….……（A.2）

()()2()

式中參數(shù)見公式（A.3）：

1

=2=

1200

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

100

…………..………………（A.3）

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

1

?1?1

1()=tan=tan

{

A.1.2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(chǎng)見公式（A.4）和公式（A.5）：

*+*(2()+)+

()()2()

2={}…………..………（A.4）

?

+*+*(2()+)+

()()2()

?

√*+*(2()+)+

()()2()

=………………（A.5）

2

??

+√*+*(2()+)+

{()()2()}

式中參數(shù)見公式（A.6）：

1

=2=

2200

22(?)2(?)

2()=0(1+)=0(1+)

………………..………（A.6）

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

(?)(?)

?1(?)?1(?)

2()=tan=tan

{

式中：

R(z)——波前曲率半徑；

——高斯波束的相位。

A.1.3準(zhǔn)光腔內(nèi)的場(chǎng)以高斯波束的形式存在，高斯波束在兩個(gè)區(qū)域的交界處滿足邊界條件，將分界面處的高

22

斯波束進(jìn)行參數(shù)匹配，即滿足z=t時(shí)，1()=2(),1()=2()，帶入公式（A.6），按公式（A.7）計(jì)

算可得2：

=………………..………（A.7）

2

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T/CSTM00990—2023

A.1.4在球面反射鏡處，曲率半徑匹配有2(+)=0，公式（A.7），按公式（A.８）計(jì)算：

0=√(+0)(0+2)………………..…（A.8）

A.1.5準(zhǔn)光腔內(nèi)邊界條件有球面鏡處切向電場(chǎng)為零，在介質(zhì)和空氣兩個(gè)區(qū)域的交界處切向電場(chǎng)相等且磁場(chǎng)連

續(xù)即有公式（A.9）：

|=0

{|=|………………..………（A.9）

|=|

A.1.6經(jīng)過化簡(jiǎn)整理得公式（A.10）結(jié)果：

tan[1()]=tan[2()+2(+)]……（A.10）

A.1.7通過以上分析可以得到相對(duì)介電常數(shù)計(jì)算公式，再通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得被測(cè)樣品的厚度t，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分

析儀精確測(cè)得諧振參數(shù)，將結(jié)果代入公式（A.11）~公式（A.18）計(jì)算，即可得數(shù)值解出被測(cè)樣品的介電常

數(shù)。

2

=……………….……..……………….（A.11）

tan[()]=tan[()]………………..………（A.12）

?1

()=tan()………….…..……………….（A.13）

?

?1??1

()=tan./tan()……………….……..…（A.14）

2

??2=√(+)()……………….……...…（A.15）

00

=√(+)()……………….……..…….（A.16）

00

=……………….……..……………….（A.17）

=√?00……………….……..…………….（A.18）

式中：

0——真空介電常數(shù)；

c——光速，2.998×1011mm/s；

??0——束腰半徑；

R0——球面鏡的曲率半徑；

——腔長(zhǎng)，平面反射鏡和球面反射鏡間的距離；

0——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。

10

T/CSTM00990—2023

A.2損耗角正切測(cè)試原理

A.2.1準(zhǔn)光腔放入樣品前測(cè)得空腔的品質(zhì)因數(shù)為00，放入樣品后的品質(zhì)因數(shù)為0則樣品損耗引入的品質(zhì)

因數(shù)見公式（A.19）：

111

=……………….………..…..…（A.19）

???????

A.2.2放入樣品后，準(zhǔn)光腔內(nèi)總儲(chǔ)能按公式（A.20）計(jì)算：

12222

?=,∫(??0|1|+0|1|)?+∫(??0|2|+0|2|)?-………（A.20）

4??

A.2.3樣品材料再一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的平均功率損耗見公式（A.21）：

12

??=ω?0?tan?∫|1|?……………….……..…（A.21）

2?

A.2.4根據(jù)品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式??=?/??，聯(lián)立公式（A.21）公式，可得介質(zhì)損耗正切計(jì)算公式，Q0s和Q0O

都是測(cè)量值，測(cè)試時(shí)先測(cè)得空腔狀態(tài)下得諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，再測(cè)量加載樣品后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，

將計(jì)算得到的相對(duì)介電常數(shù)帶入損耗角正切值計(jì)算公式（A.22）~公式（A.25）后，得到介質(zhì)損耗角正切的

結(jié)果。

1?

tan??=……..……………….（A.22）

???in2(?())

111

=……………….……..………（A.23）

???????