实验室装置波导法测量介电常数演示文稿

1、实验室装置波导法测量介电常数演示文稿第一页，共三十一页。实验室装置波导法测量介电常数PPT第二页，共三十一页。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，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。介质的介电常数定义为电通量D与外加电场强度E的比值，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 介电常数第三页，共三十一

2、页。 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。 通过它将介质极化的宏观现象和介质的微观结构联系起来。第四页，共三十一页。物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一个标量，实数 物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是一个复数 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，波阻抗等的改变。第五页，共三十一页。介电常数测量方法传输线法如波导法，同轴线，带状线 将被测介质作为传输线的一部分，测量负载（被测介质）在传输线（传输系统）上的行驻波分布，测量

3、其驻波系数，波节点位置（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演 第六页，共三十一页。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，其测得的变化值与介质的介电常数有定量关系 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系。第七页，共三十一页。波导传输/反射法NRW传输/反射法：将待测样品作为二端口网络，测量两个端口的s参数，即s11，s21,s22，s12，然后根据测得的s参数算出介质的介电常数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TEM波，而波导系统中传输的是TE10波。该方法的优点是简

4、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等问题 。第八页，共三十一页。第九页，共三十一页。Coaxial ConverterWaveguideCoaxialVector Network Analyzers Wave-guide method dielectric constant measuring system第十页，共三十一页。The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system第十一页，共三十一页。 同轴线校准 同轴波导校准第十二页，共三十一页。一.矢量网络分析仪同轴

5、线校准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） 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第十三页，共三十一页。二.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将两转换头波导口对接：记录此时的s参数，记录为thru.s2p在转换头波导口接上短路板：记录此时的s参数，记录为short.s2p将校准用波导接在两转换器之间：记录此时的s参数，记录为line.s2p将需要测量的对象接在转换器之间

6、：记录此时的s参数 导入校准程序，得到测量波导两个端面的s参数第十四页，共三十一页。第十五页，共三十一页。样品端面S参数到介电常数的计算 表示待测样品的传输系数 表示待测样品的反射系数 s11、s22、s21、s12表示待测样品的s参数 第十六页，共三十一页。推导一 ：介电常数一Zc，Z0分别表示样品和空气的特征阻抗； 表示波导的截止波长，只与波导尺寸和传输波型相关 ； 表示空气中的工作波长， ；c为光速常数； 第十七页，共三十一页。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。 S11- 0，K值具有极大不确定性， 产生尖峰，即厚度谐振，为不确定值，需要去除。第十八页，共

7、三十一页。推导二：介电常数二 表示样品段传播常数。 多值问题：由于n可能取多个不同的值， 值存在多个值，因而得到的介电常数可能存在多值。第十九页，共三十一页。厚度谐振和多值问题的解决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第二十页，共三十一页。干土的介电常数第二十一页，共三十一页。误差分析及校正定位误差 信号传输方向上存在空气段第二十二页，共三十一页。 定位误差的校准波导口处的s参数为 ，样品两端面的

8、s参数为 为空气段波导的传播常数，放样品的波导总长度为l，样品厚度为d，l1和l2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，即只存在相位的变化，而不会对信号产生衰减第二十三页，共三十一页。电长度l1和l2的计算 A为 和 的相位差 第二十四页，共三十一页。间隙误差 波导壁存在空气隙 校正公式为 其中 是由测量数据中直接推导出来的值， 表示修正以后的数值。 表示窄边样品的高度， 表示波导窄边高度与样品高度的差。 第二十五页，共三十一页。小 结频率，扫描点数，扫描时间设置同轴线校准矢量网络分析仪标准件校准同轴波导校准非标准件校准S参数到介电常数的计算 定位误差校正 介电常数一和介电常数二 间隙误差校正第二十六页，共三十一页。 同轴探针法测量介电常数第二十七页，共三十一页。Coaxial probe permittivity measurement system第二十八页，共三十一页。Coaxial probe permittivity measurement system第二十九页，共三十一页。Coaxial probe permittivity measureme