(实验室装置)波导法测量介电常数--分享资料

1、1波导传输波导传输/ /反射法反射法测量测量介质介电常数介质介电常数2v自然界中大多数物质在微波波段都呈现为有损耗的自然界中大多数物质在微波波段都呈现为有损耗的绝缘体，称之为电介质，简称介质。介质在电场的绝缘体，称之为电介质，简称介质。介质在电场的作用下都会发生极化现象，即介质在外加电场的作作用下都会发生极化现象，即介质在外加电场的作用下其内部的正负电荷向着相反方向发生微小位移，用下其内部的正负电荷向着相反方向发生微小位移，从而产生许多电偶极矩。介质极化后在介质内部产从而产生许多电偶极矩。介质极化后在介质内部产生一个极化电场，这个电场的方向与外加电磁场的生一个极化电场，这个电场的方向与外加电磁

2、场的方向相反，大小与介质的极化程度、物质成分和物方向相反，大小与介质的极化程度、物质成分和物理状态，外界温度频率等有关。理状态，外界温度频率等有关。v介质的介电常数定义为电通量介质的介电常数定义为电通量D D与外加电场强度与外加电场强度E E的的比值，是一个用来衡量介质中的电荷在外加电磁场比值，是一个用来衡量介质中的电荷在外加电磁场作用下发生极化后的分布情况的一个常量作用下发生极化后的分布情况的一个常量 介电常数介电常数3 介电常数是一个由本身性质和外界环境共同决定的反映介质电特性的物理量。 宏观上反映介质对电磁波辐射，散射，反射，吸收，传输等特性，微观上反映物质内部化学和物理结构。 通过它将

3、介质极化的宏观现象和介质的微观结构联系起来。4l物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一个标量，实数个标量，实数 l物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是一个复数一个复数 介电常数的虚部反映波传播的损耗，实部反映波介电常数的虚部反映波传播的损耗，实部反映波传播时状态的改变，如相位，相速，波阻抗等的传播时状态的改变，如相位，相速，波阻抗等的改变。改变。j5介电常数测量方法介电常数测量方法v传输线法如波导法，同轴线，带状线传输线法如波导法，同轴线，带状线 将被测介质作为传输线的一部分，测量将被测介质作为传输线

4、的一部分，测量负载（被测介质）在传输线（传输系统）上负载（被测介质）在传输线（传输系统）上的行驻波分布，测量其驻波系数，波节点位的行驻波分布，测量其驻波系数，波节点位置（相位），以此计算负载的反射系数，阻置（相位），以此计算负载的反射系数，阻抗，网络参量等，进而实现其介电常数的反抗，网络参量等，进而实现其介电常数的反演演 6v谐振腔法将被测介质放入谐振腔中，谐振腔法将被测介质放入谐振腔中，引起谐振频率和品质因数变化，其测得引起谐振频率和品质因数变化，其测得的变化值与介质的介电常数有定量关系的变化值与介质的介电常数有定量关系 v自由空间波法光学方法。通过测量介质的折射率，得到其与介电常数的定量关

5、系。7波导传输波导传输/ /反射法反射法vNRWNRW传输传输/ /反射法：将待测样品作为二端口网络，测反射法：将待测样品作为二端口网络，测量两个端口的量两个端口的s s参数，即参数，即s11s11，s21,s22s21,s22，s12s12，然后，然后根据测得的根据测得的s s参数算出介质的介电常数参数算出介质的介电常数v该可以方法测量介质复介电常数，适应于同轴和波该可以方法测量介质复介电常数，适应于同轴和波导系统，采用同轴线时传输波为导系统，采用同轴线时传输波为TEMTEM波，而波导系波，而波导系统中传输的是统中传输的是TETE1010波。波。v该方法的优点是简单且具有较的高精度，然而，该

6、该方法的优点是简单且具有较的高精度，然而，该方法存在厚度谐振，多值，以及不易测量极薄材料方法存在厚度谐振，多值，以及不易测量极薄材料等问题等问题 。89Coaxial ConverterWaveguideCoaxialVector Network Analyzers Wave-guide method dielectric constant measuring system10The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system11l 同轴线校准同轴线校准l 同轴波导校准同轴波导校准12一一. .矢量网络

7、分析仪同轴线校准矢量网络分析仪同轴线校准v打开矢量网络分析仪，设置好扫描频率（24G），点数（801），扫描时间（6ms） v为了将测量的二端口网络散射参数校准到同轴线的端口，要先使用矢量网络分析仪的标准件（开路器，短路器，匹配负载，直通）和自带的校准程序进行校准13二二. .同轴波导校准同轴波导校准为了将同轴线两端口的散射参数校准到测量波导的两为了将同轴线两端口的散射参数校准到测量波导的两个端面，需要进行非标准件和自己编写的校准程序进个端面，需要进行非标准件和自己编写的校准程序进行同轴波导校准行同轴波导校准v将两转换头波导口对接：记录此时的将两转换头波导口对接：记录此时的s s参数，记录为参

8、数，记录为thru.s2pthru.s2pv在转换头波导口接上短路板：记录此时的在转换头波导口接上短路板：记录此时的s s参数，记参数，记录为录为short.s2pshort.s2pv将校准用波导接在两转换器之间：记录此时的将校准用波导接在两转换器之间：记录此时的s s参数，参数，记录为记录为line.s2pline.s2pv将需要测量的对象接在转换器之间：记录此时的将需要测量的对象接在转换器之间：记录此时的s s参参数数 v导入校准程序，得到测量波导两个端面的导入校准程序，得到测量波导两个端面的s s参数参数1415样品端面样品端面S S参数到介电常数的计算参数到介电常数的计算2211222

9、1122222(1)(1)11cddccdcdTTssssTT 表示待测样品的传输系数表示待测样品的传输系数 表示待测样品的反射系数表示待测样品的反射系数 s s1111、s s2222、s s2121、s s1212表示待测样品的表示待测样品的s s参数参数 dTc16推导一推导一 ：介电常数一：介电常数一011cccczzz2222221121112111111111222cccssssKKKss 220021|()1 () cr zccczZcZc，Z Z0 0分别表示样品和空气的特征阻抗；分别表示样品和空气的特征阻抗； 表示波导的截止表示波导的截止波长，只与波导尺寸和传输波型相波长，只

10、与波导尺寸和传输波型相关关 ； 表示空气中的工作波长，表示空气中的工作波长， ；c c为光速常数；为光速常数； c222/()2/(/ )( / )ccmnkm an b00/cf17v厚度谐振问题：对于某些频点，即样品长度正好厚度谐振问题：对于某些频点，即样品长度正好是半个波导波长的整数倍。是半个波导波长的整数倍。 S S1111- 0- 0，K K值具有极值具有极大不确定性，大不确定性， 产生尖峰，即厚度谐振，为不确产生尖峰，即厚度谐振，为不确定值，需要去除。定值，需要去除。r18推导二：介电常数二推导二：介电常数二11ln( )ln( )(2 )(0,1 ,2 )cdTTjnnll 22

11、200|()()2crcc 2222222111211121211111222jdddTssssMTMMTesTs 表示样品段传播常数。表示样品段传播常数。 多值问题：由于多值问题：由于n n可能取多个不同的值，可能取多个不同的值， 值存在多值存在多个值，因而得到的介电常数可能存在多值。个值，因而得到的介电常数可能存在多值。cc19厚度谐振和多值问题的解决厚度谐振和多值问题的解决v结合两个推导公式分别计算介电常数一（有厚度谐结合两个推导公式分别计算介电常数一（有厚度谐振但是无多值问题），介电常数二（有多值问题但振但是无多值问题），介电常数二（有多值问题但是无厚度谐振）。将介电常数二与介电常数一

12、进行是无厚度谐振）。将介电常数二与介电常数一进行比较，选取介电常数二中与介电常数一值范围相近比较，选取介电常数二中与介电常数一值范围相近值为正确值。所得到的结果既避免了多值问题又避值为正确值。所得到的结果既避免了多值问题又避免了厚度谐振问题免了厚度谐振问题202.62.833.23.43.63.84-0.500.511.522.533.544.5频 率 （ GHz）介电常数相 对 介 电 常 数 计 算 2干土的介电常数干土的介电常数21误差分析及校正误差分析及校正v定位误差定位误差 信号传输方向上存在空气段信号传输方向上存在空气段22v 定位误差的校准定位误差的校准波导口处的波导口处的s s

13、参数为参数为 ，样品两端面的，样品两端面的s s参数为参数为 11121222 s sSs s11122122 s sSs s0 10120120 22()1112()22122 llllllseseSsese 为空气段波导的传播常数，放样品的波导总长度为为空气段波导的传播常数，放样品的波导总长度为l l，样，样品厚度为品厚度为d d，l1l1和和l2l2分别为两个测量端面到样品位置的长度，分别为两个测量端面到样品位置的长度，一般情况都将空波导当作是理想传输线，即只存在相位的变一般情况都将空波导当作是理想传输线，即只存在相位的变化，而不会对信号产生衰减化，而不会对信号产生衰减023v电长度l1

14、和l2的计算 A为 和 的相位差 22s11s0212012102()4224AldAlllldAldlll 24v间隙误差间隙误差 波导壁存在空气隙波导壁存在空气隙 校正公式为校正公式为 其中其中 是由测量数据中直接推导出来的值，是由测量数据中直接推导出来的值， 表示修正以表示修正以后的数值。后的数值。 表示窄边样品的高度，表示窄边样品的高度， 表示波导窄边高度表示波导窄边高度与样品高度的差。与样品高度的差。 1rmrrmbbbb rmrbb25小小 结结v频率，扫描点数，扫描时间设置频率，扫描点数，扫描时间设置v同轴线校准矢量网络分析仪标准件校准同轴线校准矢量网络分析仪标准件校准v同轴波导校准非标准件校准同轴波导校准非标准件校准vS S参数到介电常数的计算参数到介电常数的计算 定位误差校正定位误差校正 介电常数一和介电常数二介电常数一和介电常数二 间隙误差校正间隙误差校正26 同轴探针法测量介电常数同轴探针法测量介电常数27Coaxial probe permittivity measurement system28Coaxial probe permittivity measurement system29Coaxial pro