微波介质陶瓷介电性能测试方法 开腔法、闭腔法 征求意见稿

GB/TXXXXX—XXXX12规范性引用文件介质损耗因数（频率0.1Hz~10MHz）微波介质陶瓷microwavedielect绝对介电常数absoluteperεGB/TXXXXX—XXXX2εr相对复介电常数relativecomplextanδ品质因数Q（tanδ的倒数）与频率f的乘积，单位为GHz。谐振频率温度系数temperaturecoefficientofresonantfrequencyτf4测试原理直径D、高度H的正圆柱体微波介质陶瓷样品，被夹持于两块圆形平行金属短路板之间，即无载品质因数Qu、谐振频率温度系数τf,r与样品的相对介电常数εr、损耗角正切直径D、高度H的正圆柱体微波介质陶瓷样品，放置于封谐振现象，TE011模式同样最适合用于低损耗材料微波介电性能的测试。闭腔法中的TE011模式也称作TE01δ模式。与开腔法相比，闭腔法中样品远离金属壁、导体损耗更低，同时能完全消除辐射损耗的影响，因此具有更高的损耗角正切值测试精度。闭腔、支撑物及样品尺寸确定时，闭腔介质模式的f0、Qu、τf,r与样品的εr、tanδ及τf间存在对应关系，故通过测试闭腔介质谐振器的f0、即可计算得到样品的εr、tanδ、τf。闭腔法不存在解析解，需通过有限单元法等数值方法求解。GB/TXXXXX—XXXX35.1测试系统测试系统如图1所示，由矢量网络分析仪、传输线、耦合装置及测试腔（开腔或闭腔）构成。矢量网络分析仪用于测量开腔或闭腔介质谐振器的谐振频率波，耦合装置用于电磁场耦合、激励谐振，测试腔与样5.2矢量网络分析仪矢量网络分析仪的测试频率范围应覆盖测试时TE011模式的谐振频率，动态范围应>60dB。5.3传输线及耦合装置垂直，由测试腔两侧沿径向放入测试腔内，且耦合环深入至测试腔内5.4测试环境条件5.4.1正常的测试环境条件温度：20~30°CGB/TXXXXX—XXXX45.4.2仲裁测试的标准环境条件温度：24~26°C5.5.1开腔铜，表面镀银，镀层厚度>5μm。对紧贴样品两端的面，要求板面平整，表面粗糙度Ra铜，表面镀银，镀层厚度>5μm，内壁表面粗糙度Ra<0.2μC可根据需要测试的频率范围改变，一般推荐DC=10~50mm，DC=10.2HC≤HS≤0.3HC。闭腔两侧开孔，插入耦合GB/TXXXXX—XXXX55.6高低温试验箱高低温试验箱用于τf的测试，温度范围应覆盖测试所需的温度区间，样品尺寸根据样品的εr和测试频率f0确定。一般原则是：D≤0.2DO，1.9H≤D≤2.3H。对测试频率f0无特别要求时，推荐D=9.5~10.5mm，H=4.75~5.25mm。图4为开腔法测试中样品D=10mm、H=5mm时f0随样品εr的变化。0.25HC≤H≤0.6HC；5≤εr<10时，0.3DC≤D≤0.6DC0.4HC≤H≤0.6HC。对测试频率f0无特别要求时，推荐D=0.4~0.5DC，H=0.4~0.5HC。图4为典型闭腔GB/TXXXXX—XXXX67.1测试前矢量网络分析仪需开机预热30分钟以上，使之进入稳定工作状态。设置扫描点数不低于电常数，估算采用相应测试腔时TE011模式的谐振频率，并7.5记录f0，并根据f0及样品尺寸计算εr。7.6记录Δf及S21,f0，由公式(1)得到有载品质因数QL，由公式(2)得到无载品质因数Qu。7.7根据测得的Qu，可由公式(3)得到样品的介电损耗tanδ。Qc——金属壁的品质因数。并由公式(4)求得τf,r。τf,r=peτf+(pe−1)αL…GB/TXXXXX—XXXX7τf=τf,r (6)其它情况下，应根据公式(5)，由τf,r计算τf。τf,r=peτf+(CL+pe)αL+pe,Sτf,S+(CL,S+pe,S)αL,S+CL,CαL,C Pe,S——支撑物的电能填充因子；CL,S——与支撑物热膨胀相关的敏感系数；CL,C——与测试腔热膨胀相关的敏感系数；8.1.1谐振频率或相对介电常数的计算样品尺寸确定时，开腔法TE011模式的谐振频率f0与样品的相对介电常数εr存在对应关系，由公式c0——真空光速，2.997925×108m/Ji——第i阶第一类贝塞尔函数；联解公式(8)-(10)，即可由f0计算出εr，或由εr计算出f0。GB/TXXXXX—XXXX8Rs——金属壁的表面电阻，单位为Ω;f0,2及无载品质因数Qu,1、Qu,2。两种情况下f0,1=f0,2，TE011模式闭腔介质谐振器具有轴对称的几何及电磁场结构，可分析半横截面内的电场分布进行求包含一种介质。根据公式(17)得到每个单程[K∗][E∗]=[0]………[K*]——整体矩阵，由所有单元中的节点坐标、相对GB/TXXXXX—XXXX98.2.2相对介电常数的计算当TE011模式的谐振频率f0已知时，可利用迭代法求解样品的相对介电常数εr。先估计样品的相对介电常数为εr,e，通过8.2.1中描述的过程计算出TE011模式谐振频率为f0,e。根据f0,e与f0的差值，调整用于下一步计算的相对介电常数。重复以上过程，直至算得的谐振频率与f0的差别<0.01%，即求解出样品的相对介电常数εr。A——三角形单元的面积，单位为m2。δ——趋肤深度，单位为m；闭腔内放置直径D、高度H的样品时，TE011模式下的谐振频率为f0。假设样品的直径、高度发生微小变化，分别变为(1+δ’)D、(1+δ’)H，10-7<δ’<10-3，计算得到的谐振频率为f0(δ9测试误差GB/TXXXXX—XXXXr-6/°Cr-6/°C而在测试τf时，开腔法的计算过程比闭腔法简单很多，且在τf较小时可直接将τf,r当作τf、免去中间的GB/TXXXXX—XXXXf0(GHz)εrtanδQf(GHz)GB/TXXXXX—XXXXTf0(T1)(GHz)Tf0(T2)(GHz)τf,r(10-6/°C)τf(10-6/°C)GB/TXXXXX—XXXX[1]HakkiB.W.,ColemanP.D.,ADielectricResonatorMethodofMeasurin[2]KajfezD.,IncrementalFrequencyRuleforComputinResonator,IEEETrans.MicrowaveTheo[3]KooiP.S.,LeongM.S.,PrakashA.L.S.,Finite-ElementAnalysisoftheShieldedCylindricalDiResonator,IEEProc.HMicrowaveOptAntennas.,132[4]D.Kajfez,TemperatureCharacterizationofDielectric-ResonatorMaterials,J.Eur.Ceram.So2663–2667,2001.[5]LiL.,ZhuJ.Y.,ChenX.M.,MeasurementErrorofTemperatuMicrowaveDielectricMaterialsbyTE01δ-ModeResonantCavityMethod,IEEETrans.Micr