網絡分析儀測試材料介電常數(shù)的方法

一、介電常數(shù)介紹

       自然界中大多數(shù)物質在微波波段都呈現(xiàn)為有損耗的絕緣體，稱之為電介質，簡稱介質。介質在電場的作用下都會發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質在外加電場的作用下其內部的正負電荷向著相反方向發(fā)生微小位移，從而產生許多電偶極矩。介質極化后在介質內部產生一個極化電場，這個電場的方向與外加電磁場的方向相反，大小與介質的極化程度、物質成分和物理狀態(tài)，外界溫度頻率等有關。介質的介電常數(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。

● 物質在靜電場中（無電磁波時）的介電常數(shù)是一個標量，實數(shù)

● 物質在交變電場中（有電磁波時）的介電常數(shù)是一個復數(shù)，如下式：

       介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗（通常以熱能形式損耗），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。

       常見的描述介電常數(shù)特性的還有一個參數(shù)，叫損耗角正切。當我們在矢量圖中描述復介電常數(shù)時，其實部和虛部呈90°正交關系，二者的矢量和與實軸形成一個夾角，我們把這個夾角δ稱為損耗角，這個角的正切值稱為損耗角正切，它等于介電常數(shù)定義中虛部和實部的比值。損耗角正切還有一個常用的名稱——損耗因數(shù)（Df），它等于品質因數(shù)的相反數(shù)。其物理含義是在一個周期內介質損失的能量和貯存能量的比值。

       介電常數(shù)是一個由本身性質和外界環(huán)境共同決定的反映介質電特性的物理量。宏觀上反映介質對電磁波輻射，散射，反射，吸收，傳輸?shù)忍匦?，微觀上反映物質內部化學和物理結構。通過它將介質極化的宏觀現(xiàn)象和介質的微觀結構聯(lián)系起來。

       介電常數(shù)是物體的重要物理性質，對介電常數(shù)的研究有重要的理論和應用意義。今時今日，電氣工程中的電介質問題、電磁兼容問題、生物醫(yī)學、微波、電子技術、食品加工和地質勘探中，無一不利用到物質的介電特性，比如在日趨復雜的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，大量的新材料被廣泛的應用到各種電子系統(tǒng)中。作為介質材料被應用的場景很多，例如PCB的基板材料、天線的天線罩、大功率真空器件使用的陶瓷材料、液晶材料等。正因此，對介電常數(shù)的準確測量也提出了要求。目前對介電常數(shù)測量方法的應用可以說遍及民用、工業(yè)的各個領域。典型的應用場景如下表所示：

介電常數(shù)測量典型應用

       在這些應用場景中，用戶需要對材料的電氣性能，尤其是作為介質的電氣性能有足夠準確的評估和認識，以便縮短設計周期、提升產品質量。這些性能由一組介電性能參數(shù)來描述。通過對介質材料的介電性能進行準確測量，可以為研發(fā)、設計和生產場景提供一手的數(shù)據，以便優(yōu)化設計、改善工藝。

二、測試方法

       目前測量介電常數(shù)常用的方法主要有網絡參數(shù)法、諧振腔法、平行板電容法、同軸探頭法等等。每種測試方法都有自己的適用范圍，并沒有一種能夠適用所有場景的通用方法，因此需要根據以下特性選擇合適的測試方法：

★ 測試頻率范圍

★ 期望測試的εr值范圍

★ 期望達到的測試精度

★ 材料的形式 (液體、粉末、固體)

★ 被測件尺寸

★ 被測件是否可破壞

★ 被測件是否可直接接觸

★ 測試溫度等

       本文主要介紹常用的網絡參數(shù)法和諧振腔法。

1、網絡參數(shù)法

       將樣品及傳感器視為一個單端口或雙端口網絡，利用時域法、傳輸/反射法、多厚度法、多狀態(tài)法、自由空間法等測試出其表征網絡特性的參數(shù)，通常是散射參數(shù)或復反射系數(shù)，據此推出材料的復介電常數(shù)及復磁導率。

2、諧振腔法

       將材料樣品分別置于一個封閉或開放式諧振腔中電場強和電磁場強處，利用樣品放置前后對腔體電磁參場結構的改變，通過測試腔體的品質因數(shù)及諧振頻率的變化，從而推算出材料的電磁參數(shù)。

       這兩種不同的介電常數(shù)測量方法適用于不同的場景，具體可參考下表：

網絡參數(shù)法和諧振法比較

三、測試指標

       針對網絡參數(shù)法和諧振腔法，又可細分為許多方法。比如從網絡參數(shù)法衍生出的傳輸反射法、自由空間法、終端短路法；從諧振法衍生出的微擾法、諧振腔法，準光腔法等。以下對具體的測試方法和指標進行說明。

3.1  網絡參數(shù)法>>>

3.1.1傳輸反射法

       測試方法：將測試材料制作而成的待測樣品均勻填充于波導、同軸線等標準傳輸線內，或者將待測樣品制作成微帶線、共面波導等微波傳輸線，構成一個互易雙端口網絡，通過矢量網絡分析儀測量出該雙端口網絡的散射參數(shù)。根據網絡參數(shù)模型即可計算出被測樣品的電磁參數(shù)。

測試指標：

? 測試頻率：0.5～40GHz

?測試范圍：

◆ 介電常數(shù)εr：2.0～100

◆ 電損耗角正切tanδ：0.1～10.0

3.1.2自由空間法

       自由空間法是傳輸/反射法的一個特例。它直接將傳輸路徑簡化為自由空間。自由空間的樣品安裝方便，克服了閉場域下的同軸線法及其矩形波導法中的配合間隙問題。它利用微波天線作為電磁波收發(fā)裝置，測試時待測材料應放在天線的遠場處，根據測試需要，可通過模式轉換器對波型進行轉換，波照射到待測樣品上會發(fā)生反射和透射，通過收發(fā)天線分別接收這些反射和透射信號，然后根據自由空間法的物理模型計算得到待測材料的復電磁參數(shù)。

測試指標：

? 測試頻率：2～18GHz

?測試范圍：

◆ 介電常數(shù)εr：2.0～100

◆ 電損耗角正切tanδ：>0.1

3.1.3終端短路法

       該測試方法將待測樣品放在終端短路的微波傳輸系統(tǒng)中，作為傳輸系統(tǒng)的一部分通過測量填充材料后波量的偏移和駐波計算出材料的復介電常數(shù)。

測試指標：

? 測試頻率：0.5～40GHz

?測試范圍：

◆ 介電常數(shù)εr：2.0～15

◆ 電損耗角正切tanδ：0.001～2.0

3.1.4網絡參數(shù)法總結

3.2、諧振法>>>

3.2.1傳輸線諧振器法

       測試方法：將待測樣品制作成微波傳輸線諧振器，如帶狀線，微帶線，共面波導等，然后測量該傳輸線諧振器的諧振頻率和品質因數(shù)，就能夠根據傳輸線理論得到材料的復介電常數(shù)。

測試指標：

? 測試頻率：1.0～10.0GHz

?測試范圍：

◆ 介電常數(shù)εr：1.5～20

◆ 電損耗角正切tanδ：5×10-4～ 1×10-2

3.2.2諧振腔法

       測試方法：將介質放在各種微波諧振腔內，得到加載樣品前后腔體的諧振頻率和品質因數(shù)，由嚴格的電磁場理論分析求解出待測樣品的復介電常數(shù)，該方法的測試精度很高。

測試指標：

? 測試頻率：8.5 ～ 18GHz，18 ～ 40GHz

?測試范圍：

◆ 介電常數(shù)εr：1.25～12

◆ 電損耗角正切tanδ：1×10-2～ 5×10-5

3.2.3準光腔法

       測試方法：由不同曲率半徑的凹球面鏡構成，屬于開式諧振腔，是光學諧振結構在微波，毫米波頻段的延伸，諧振頻率較高，主要用于毫米波頻段的介質參數(shù)測試。

測試指標：

? 測試頻率：18～100GHz

?測試范圍：

◆ 介電常數(shù)εr：1.0～10

◆ 電損耗角正切tanδ：1×10-4～ 5×10-3

3.2.4諧振法總結

四、典型配置

       從網絡參數(shù)法和諧振法的測試框圖中可以看出，無論哪種測試方法，其核心都是網絡分析儀。選擇不同的測試方法，會有不同的夾具配置和軟件配置。下面基于傳輸線諧振器法給出典型配置表:

五、附錄—網絡分析儀

       使用成都玖錦基于自主知識產權的矢量網絡分析儀VNA1000A，結合相應的測試夾具和測試軟件，就能夠為客戶提供完整的介電常數(shù)測量解決方案。使用傳輸反射法測量介電常數(shù)：

       VNA1000A是一款高性能的矢量網絡分析儀，具有優(yōu)良的測試動態(tài)范圍、分析帶寬、相位噪聲、幅度精度和測試速度；該設備提供單端口、響應隔離、增強型響應、全雙端口等多種校準方式，內設對數(shù)幅度、線性幅度、駐波、相位、群時延、Smith圓圖、極坐標等多種顯示格式，外配USB、LAN、GPIB、VGA等多種標準接口，具有傳統(tǒng)矢量網絡分析儀的全部測量功能，能精準測量微波網絡的幅頻特性、相頻特性和群時延特性。

1)  四個內部相位相參信號源，八個真正并行測量的接收機：

       VNA1000A矢量網絡分析儀組合了四個內置的相位相參信號源及八個真正并行測量的接收機，可以提供高達50GHz的四端口解決方案。一次連接可完成幾乎所有的線性測試和非線性測試，為進行廣泛的測量提供了強大的硬件支撐。

2)   高動態(tài)范圍：120dB（典型值）,跡線噪聲優(yōu)于0.001dB,測量精度高：

       VNA1000A矢量網絡分析儀采用混頻接收的設計理念，有效的擴展了整機的測試動態(tài)范圍，以滿足您對大動態(tài)范圍的測試需求；優(yōu)異的跡線噪聲指標極大地提高了整機的測試精度，可滿足用戶精準測量的需要，特別有助于小插損器件的精準測量。

3)  校準類型靈活可選，兼容多種校準件：

       VNA1000A矢量網絡分析儀可使用機械校準件進行直通響應校準、直通響應與隔離校準、單端口校準、增強型響應校準、全雙端口TOSM校準、TRL校準等多種校準類型，可根據實際測試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準件，方便不同接口類型器件的測試。

4)  支持多窗口、多通道測量，快速執(zhí)行復雜測試方案：

       VNA1000A矢量網絡分析儀具有多通道和多窗口顯示功能，多支持64個通道，多可同時顯示32個測量窗口，每個窗口多可同時顯示20條測試軌跡，具有對數(shù)幅度、線性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式，使觀測結果更加直觀，用戶使用方便。

5)  外設接口豐富，靈活實用：

       VNA1000A矢量網絡分析儀采用兼容PC的嵌入式計算機模塊和Windows操作系統(tǒng)組成的軟硬件平臺，實現(xiàn)了測試儀器和個人計算機結合。用戶可以利用豐富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）來完成數(shù)據通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點觸控顯示屏，人性化用戶界面簡潔直觀，便于操作，可提高測試效率。