在材料測試中矢量網(wǎng)絡分析儀的應用
在材料測試中矢量網(wǎng)絡分析儀的應用
一、介電常數(shù)介紹
自然界中大多數(shù)物質(zhì)在微波波段都呈現(xiàn)為有損耗的絕緣體，稱之為電介質(zhì)，簡稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場的作用下都會發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質(zhì)在外加電場的作用下其內(nèi)部的正負電荷向著相反方向發(fā)生微小位移，從而產(chǎn)生許多電偶極矩。介質(zhì)極化后在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)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(zhì)的極化程度、物質(zhì)成分和物理狀態(tài)，外界溫度頻率等有關(guān)。介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 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(guān)系，二者的矢量和與實軸形成一個夾角， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 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(zhì)因數(shù)的相反數(shù)。其物理含義是在一個周期內(nèi)介質(zhì)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(zhì)和外界環(huán)境共同決定的反映介質(zhì)電特性的物理量。宏觀上反映介質(zhì)對電磁波輻射，散射，反射，吸收，傳輸?shù)忍匦?，微觀上反映物質(zhì)內(nèi)部化學和物理結(jié)構(gòu)。順利獲得它將介質(zhì)極化的宏觀現(xiàn)象和介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。
介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì)，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(zhì)問題、電磁兼容問題、生物醫(yī)學、微波、電子技術(shù)、食品加工和地質(zhì)勘探中，無一不利用到物質(zhì)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(zhì)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。現(xiàn)在對介電常數(shù)測量方法的應用可以說遍及民用、工業(yè)、國防軍工的各個領(lǐng)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(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量。這些性能由一組介電性能參數(shù)來描述。順利獲得對介質(zhì)材料的介電性能進行準確測量，可以為研發(fā)、設計和生產(chǎn)場景給予第一手的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化設計、改善工藝。
二、測試方法
現(xiàn)在測量介電常數(shù)常用的方法主要有網(wǎng)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(jù)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
由 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 科技小編來給您介紹最常用的網(wǎng)絡參數(shù)法和諧振腔法。
網(wǎng)絡參數(shù)法----------------------------------------------------------------01
將樣品及傳感器視為一個單端口或雙端口網(wǎng)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(wǎng)絡特性的參數(shù)，通常是散射參數(shù)或復反射系數(shù)，據(jù)此推出材料的復介電常數(shù)及復磁導率。
諧振腔法------------------------------------------------------------------02
將材料樣品分別置于一個封閉或開放式諧振腔中電場最強和電磁場最強處，利用樣品放置前后對腔體電磁參場結(jié)構(gòu)的改變，順利獲得測試腔體的品質(zhì)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(wǎng)絡參數(shù)法和諧振法比較
三、測試指標
針對網(wǎng)絡參數(shù)法和諧振腔法，又可細分為許多方法。比如從網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)，或者將待測樣品制作成微帶線、共面波導等微波傳輸線，構(gòu)成一個互易雙端口網(wǎng)絡，順利獲得矢量網(wǎng)絡分析儀測量出該雙端口網(wǎng)絡的散射參數(shù)。根據(jù)網(wǎng)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(jù)測試需要，可順利獲得模式轉(zhuǎn)換器對波型進行轉(zhuǎn)換，波照射到待測樣品上會發(fā)生反射和透射，順利獲得收發(fā)天線分別接收這些反射和透射信號，然后根據(jù)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)的一部分順利獲得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(wǎng)絡參數(shù)法總結(jié)
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(zhì)因數(shù)，就能夠根據(jù)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(zhì)放在各種微波諧振腔內(nèi)，得到加載樣品前后腔體的諧振頻率和品質(zhì)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(gòu)成，屬于開式諧振腔，是光學諧振結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號
關(guān)注抖音號