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测试与测量微带线袪测量微波材料的复介电常数Measurement of Complex Dielectric Constants of Microwave Materials by Microstrip Line Method北京工业大学王佩佩廖丽唐章宏王群摘要电磁波传输介质的电磁参数的准确测量，对材料的实际应用十分重要。
研究微波材料介电常数的微 带线测量方法，通过正演和反演过程的求解分析，对不同介电常数的材料进行了实际计算，同时还对测 试误差进行了简要分析。
结果表明，微带线测试微波材料的复介电常数方法可行，测量过程较为简单， 测量结果准确。
关键词介电常数；微带线；误差分析AbstractAccurate measurement of electromagnetic parameters of eleetromag n etic wave transmission medium is very imports n t for practical application of materials. In this paper, the method of measuring dielectric constant of microwave materials by inicrostrip line is studied, through the analysis of forward and inversion process, actual calculation of materials with different dielectricconstants, and the test error is briefly analyzed. Meanwhile, the test errors and the attention matters in actual testing processes are analyzed.Keywordsdielec tric constants; inicrostrip —line; error analysis引言随着科学技术的发展，微波介质材料广泛应用于 航空航天、国防军工、微波通信、电子技术、新材料等众多领域中.例如.选频滤波器、智能吸波结构、可调 雷达天线、飞行器隐身技术、智能吸波结构、大功率天 线罩等。
谐振法测介电常数原理
（最新版）
目录
1.谐振法测介电常数的基本原理
2.谐振法的测量设备和操作步骤
3.谐振法测介电常数的优缺点
4.实际应用案例
正文
一、谐振法测介电常数的基本原理
谐振法是一种广泛应用于测量介电常数的实验方法。
其基本原理是：通过改变电容器的电容量，使得电容器与电感器构成的谐振回路达到共振状态，进而计算出介电常数。
二、谐振法的测量设备和操作步骤
1.测量设备：主要包括电容器、电感器、信号发生器、示波器和数据处理系统。
2.操作步骤：
（1）将电容器与电感器连接成谐振回路；
（2）通过信号发生器向谐振回路施加一定频率的交流电压；
（3）观察示波器上的信号波形，找到谐振状态下的波形；
（4）根据谐振状态下的电容器和电感器的参数，计算出介电常数。
三、谐振法测介电常数的优缺点
1.优点：测量精度高、可靠性好、操作简便。
2.缺点：受温度、压力等因素影响较大，需要对环境条件进行严格控
制。
四、实际应用案例
谐振法测介电常数广泛应用于材料科学、电子元器件等领域。
例如，在研究新型陶瓷材料时，可通过谐振法测量其介电常数，以评估材料的性能。
综上所述，谐振法测介电常数具有原理清晰、操作简便、精度高等优点，是一种实用的测量方法。
覆铜板资讯2020年第6期1.研究背景在微波电路设计时，微波介质基板的电磁参数极为重要。
本课题专注于介质的电特性参数的测量，介质的电特性参数主要用相对介电常数εr（D k）和损耗角正切t a nδ(D f)表征。
采用不同的测试方法，同一材料测试出的介电性能也不尽相同，寻找合适的方法测试介电性能对于电路设计和材料应用极为重要。
鉴于当下的应用环境，行业对于Z 轴方向的D k值更为看重。
电路板材D k各向异性是在各个频段都普遍存在的，在高频频段这个问题更加值得关注，原因有以下几点：（1）毫米波环境下，为了增加信号的传输速度，高k介质受到广泛应用，基数变大，相应的，x-y平面与z轴方向的D k差值相应放大。
（2）高频板材小且薄，为了增加电路板的韧性，一般会加入玻纤布，网格状的玻纤布D k值一般是介质材料的2~3倍，玻纤布的存在，更加重了介电常数的各向异性。
在毫米波频段下不同测试方法测得的D k值差异更大，为适应当下应用场景，选择适当的测试方法对测试结果以及材料使用尤为重要。
当下介电性能的测试方法大多是对x-y 平面的D k进行测试，对Z轴方向的相对较少，传统的S P D R法，发展成熟且性能稳定，其谐振模式为T E模，只能测量x-y平面的介电常数。
在实际的电路板应用中，其Z轴的D k更为重要，因此当下电路设计者更关基于改进型微带线谐振腔体的微波介电性能测试系统研究西安交通大学微电子系功能材料研究中心顾腾向锋摘要：随着5G时代的到来,高频下介质电性能的精确测量对微波电路设计愈发重要。
毫米波频段下，器件尺寸减小、高k材料的应用等各方因素作用，致使材料Z轴方向（厚度方向）的介电性能受到更多关注。
业界至今还未形成对毫米波频段下介电材料性能测试的标准，寻得一种精确测量D k、D f的测试方法是必要的。
本课题基于I P C-T M650-2.5.5.5c，对当下高频领域的测试方法进行比对，并针对当下需求及其存在的问题，设计并提出一种基于改进型微带线谐振腔体的微波介电性能测试系统解决方案，从腔体设计、耦合方式以及基板等各方面实现优化。
用谐振腔微扰法测试低损耗材料1，待测试材料备注：600MHz-7GHz之间选取6个频点测试2，测试方法和符合的标准针对上面客户待测试材料(MUT的显著特征，即高介电常数，低损耗因子，这些材料通常用于制备高精度器件，在电子电气，通讯领域。
因此北京神州技测工程师采用谐振腔微扰法进行测试，符合国标GBT 7265.1-1987。
3，测试指标1）测试温度：室温2）测试频率：600MHz-7GHz之间选取6个频点测试3）样品尺寸：圆棒或方棒状材料（小样品材料：直径为2.9mm,长度不低于30mm）4）测试范围：介电常数er，：1.05 ～ 12.0 损耗角正切：0.0002 ～ 0.03 5）测试误差4，测试原理微扰法采用谐振腔主模进行测试，利用一腔多模技术、模式识别技术和杂模抑制技术进行宽频带测试。
由于采用的谐振腔的结构和模式，决定了测试出的结果为电场平行于测试样品长度方向的复介电常数。
测试系统包括有：矢量网络分析仪、转换接头、耦合装置、测试腔体、材料测试软件、程控计算机。
微波信号首先由矢量网络分析仪的一个测试端口，经过转换接头送入到耦合装置，进入到测试腔体中，后又经过另一耦合装置与转换接头进入到矢量网络分析仪。
通过测量该传输信号，通过测试得到空腔和加载测试样品后的谐振频率和品质因数，通过理论分析计算得到被测样品在不同频率下的介电常数和损耗角正切。
5，测试过程第一步：系统初始化。
即软件界面点击初始化，使得PC和矢网建立连接。
然后直通校准。
第二步：测量出加载样品之前空腔的谐振频率 f0 与无载品质因数 Q0，第三步：测量出加载样品之后腔体的谐振频率 f0s 与有载品质因数 Q0s。
所加载的样品与测试腔体的体积相比要小得多，因此，这种扰动非常微弱。
微扰法即根据加载样品前后腔体的谐振频率和品质因数的变化即可计算得到被测样品的复介电常数。
6，样品制作要求7，测试结果数据北京神州技测400-808-6255提供多种材料测试方法，更多方法请咨询我公司技术人员。
介电常数常用测量方法综述来源：互联网摘要：介电常数测量技术在民用，工业以及军事等各个领域应用广泛。
本文主要对介电常数测量的常用方法进行了综合论述。
首先对国家标准进行了对比总结；然后分别论述了几种常用测量方法的基本原理、适用范围、优缺点及发展近况；最后对几种测量方法进行了对比总结，得出结论。
关键词：介电常数；国家标准；常用方法1. 引言介电常数是物体的重要物理性质，对介电常数的研究有重要的理论和应用意义。
电气工程中的电介质问题、电磁兼容问题、生物医学、微波、电子技术、食品加工和地质勘探中，无一不利用到物质的电磁特性，对介电常数的测量提出了要求。
目前对介电常数测量方法的应用可以说是遍及民用、工业、国防的各个领域。
在食品加工行业当中，储藏、加工、灭菌、分级及质检等方面都广泛采用了介电常数的测量技术。
例如，通过测量介电常数的大小，新鲜果蔬品质、含水率、发酵和干燥过程中的一些指标都得到间接体现，此外，根据食品的介电常数、含水率确定杀菌时间和功率密度等工艺参数也是重要的应用之一[1]。
在路基压实质量检测和评价中，如果利用常规的方法，尽管测量结果比较准确，但工作量大、周期长、速度慢且对路面造成破坏。
由于土体的含水量、温度及密度都会对其介电特性产生不同程度的影响，因此可以采用雷达对整个区域进行测试以反算出介电常数的数值，通过分析介电性得到路基的密度及压实度等参数，达到快速测量路基的密度及压实度的目的[2]。
此外，复介电常数测量技术还在水土污染的监测中得到了应用[3]。
并且还可通过对岩石介电常数的测量对地震进行预报[4]。
上面说的是介电常数测量在民用方面的部分应用，其在工业上也有重要的应用。
典型的例子有低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用以及高介电常数材料在半导体储存器件中的应用。
在集成电路工艺中，随着晶体管密度的不断增加和线宽的不断减小，互联中电容和电阻的寄生效应不断增大，传统的绝缘材料二氧化硅被低介电常数材料所代替是必然的。
嘉应学院物理学院近代物理实验实验报告实验项目：实验地点：班级：姓名：座号：实验时间：年月日一、实验目的：1.对微波材料的介质特性的测量，有助于获得材料的结构信息;2.研究了的微波特性和设计微波器件。
3.本实验采用谐振腔微扰法测量介质材料的特性参量，学习反射式腔测量微波材料的介电常数ε'和介电损耗角tgδ的原理和方法。
二、实验仪器和用具：介质材料：半径0.7 mm 长度10.16 mm白色样品：聚四氟乙烯；透明样品：有机玻璃；褐色样品：黑焦木三、实验原理：谐振腔是两端封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特性，常见的谐振腔有矩形和圆柱形两种，本实验采用反射式矩形谐振腔，谐振腔有载品质因数可由210f f f Q -=测定，其中0f 为谐振腔振频率，1f ，2f 分别为半功率点频率。
图8.2.1所示是使用平方律检波的晶体管观测谐振曲线0f ，1f 和2f 的示意图。
如果在矩形谐振腔内插入一圆柱形的样品棒，样品在腔中电场的作用下就会被极化，并在极化的过程中产生的能量损失。
因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。
根据电磁场理论，电介质在交变电场的作用下，存在转向极化，且在极化时存在驰豫，因此它的介电常量为复数：ε)( '''00εεεεεj r -==式中ε为复电常量，0ε为真空介电常量，r ε为介质材料的复相对介电常量，'ε、''ε分别为复介电常量的实部和虚部。
由于存在驰豫，电介质在交变电场的作用下产生的电位移滞后电场一个相位角δ，且有tg δ＝''ε/'ε因为电介质的能量损耗与tg δ成正比，因此tg δ也称为损耗因子或损耗角正切。
如果所用的样品体积远小于谐振腔体积，则可认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可用微扰法处理。
选择p TE 10（p 为奇数）的谐振腔，将样品置于谐振腔内的微波电场最强而磁场最弱处，即x=a/2，z=l/2处，且样品棒的轴向与y 轴平行。
短稳标准高Q值超导腔的研究王暖让;吴琼;杨仁福;年丰;高连山【摘要】针对频率标准用超导腔的设计,通过理论分析及编程计算得到了影响微波腔指标的参数,并对不同温度下微波腔的品质因数(Q值)进行计算得到了温度变化曲线,通过此曲线可以确定达到指标所需要的温度.所设计的微波腔参数为:工作模式为TM010模式,直径D为60mm,高度1为50mm,频率为4.4GHz,Q值在液氦温度4.2K时达到3.9 × 107,在减压降温到2 K时达到1.9×109,实验结果与计算结果吻合.%To design a superconducting cavity with high quality factor for frequency standard, the parameters that affect the ability of the cavity are all achieved through theory analysis and computer program.A curve through which the temperature can be achieved for the aim is got through calculating the quality factor in different temperature.The parameters of cavity are as follows: the mode is TM010, the diameter is 60 mm, the height is 50 mm, the frequency is 4.4 GHz, the quality factor is 3.9 × 107 and 1.9 × 109 when the tem perature is 4.2 K and 2 K, respectively, which is close to the calculation.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2011(032)001【总页数】5页(P70-74)【关键词】计量学;频率标准;振荡器;低温学;超导腔;品质因数【作者】王暖让;吴琼;杨仁福;年丰;高连山【作者单位】北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854【正文语种】中文【中图分类】TB9391 引言超导腔稳频器(SCSO)具有极高的Q值(107～1011)及非常小的温度系数，因而其短期频率稳定度远远超过了传统原子钟(氢钟、铷钟、铯钟等)，可以达到10-15～10-16/t (1 s<t <1 000 s)[1,2]，是当前最高的短稳(1 s<t <100 s)标准。
用谐振腔微扰法测定微波电介质的介电常数随着微波技术的飞速发展，微波材料及微波器件设计得到了深入研究。
微波工程中广泛应用各种介质材料，微波介质材料的介电常数和介电损耗角正切，是研究材料的微波特性和设计微波器件必须了解的重要参数，因此，准确测量这两个参量十分重要。
本实验介绍一种常用的测量方法，即采用谐振腔微扰法测量介质的介电常数。
一、 实验目的⒈了解谐振腔微扰法测量介质介电常数的实验原理；⒉了解微波元器件，组建微波测量系统，调试系统测量介电常数。
二、 实验原理⒈微波铁氧体的介电常数ε和介电损耗角正切tan εδ根据电磁场理论，电介质在交变电场的作用下，存在转向极化，且在极化时存在弛豫，因此，微波电介质的介电常数一般是复数： )("'00εεεεεεj r -=='"tan εεδε= （1） 其中0ε是真空的介电常数，0εε=r 是相对介电常数；电介质在交变电场的作用下产生的电位移滞后电场一个相位角εδ，电介质的能量损耗与εδtan 成正比， 故称εεtan 为介电损耗角正切； 当εεtan <<1时，可以认为是“无耗介质”，r ε近似为实数。
若介质的损耗很小，常采用谐振腔微扰法测量微波介质的介电常数。
⒉谐振腔微扰法测量微波介质的介电常数谐振腔是封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特性，常见的谐振腔有矩形和圆柱形两种，我们选用矩形谐振腔。
谐振腔的一个重要参量是品质因素Q ，它表明谐振效率的高低,从Q 值能够知道在电磁振荡延续过程中有多少功率消耗。
相对谐振腔所存储的能量来说，功率的消耗越多，则谐振腔的品质因素Q 值就越低，反之，功率消耗愈少，Q 值就愈高。
作为有效的振荡器，谐振腔必须有足够高的品质因素值。
品质因素的一般定义是谐振腔内总储能02f Q π=0f 为谐振腔的谐振频率。
事实上有载品质因素210f f f Q L -=，可由实验测定，21,f f 分别为半功率点的频率，如图1所示。
实验六-用谐振腔微扰法测量介电常数北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告学院：电子工程学院班级：组员：报告撰写人：学号：实验六用谐振腔微扰法测量介电常数微波技术中广泛使用各种微波材料，其中包括电介质和铁氧体材料。
微波介 质材料的介电特性的测量，对于研究材料的微波特性和制作微波器件，获得材 料的结构信息以促进新材料的研制，以及促进现代尖端技术 （吸收材料和微波遥 感）等都有重要意义。
一、 实验目的1. 了解谐振腔的基本知识。
2. 学习用谐振腔法测量介质特性的原理和方法二、 实验原理本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性的。
反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属 板，构成谐振腔，具有储能、选频等特性。
谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时， 电磁波在腔内连续反射，产生驻波。
谐振腔的有载品质因数 QL 由下式确定：式中：fO 为腔的谐振频率，fl ，f2分别为半功率点频率。
谐振腔的 高，谐振曲线越窄，因此 Q 值的高低除了表示谐振腔效率的高低之外，还表示 频率选择性的好坏。
极化的过程中产生能量损失，因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化Q L _fo_厂f 220 图1反射式谐振腔谐振曲线 图2微找法TEIOn 模式矩形腔示意图电介质在交变电场下，其介电常数&为复数，&和介电损耗正切tan S 可由下列关系式表示： tan —— j ， ,其中：£,和£,,分别表示&的实部和虚部。
选择TEIOn （n 为奇数）的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁 场最弱处，即x =a/ 2, z = I / 2处，且样品棒的轴向与y 轴平行，如图2所示。
假设：1. 样品棒的横向尺寸 d （圆形的直径或正方形的边长）与棒长九相比小得多 （一般d /h<1/10）, y 方向的退磁场可以忽略。
用谐振腔微扰法测量微波介质特性微波技术中广泛使用各种微波材料，其中包括电介质和铁氧体材料。
微波介质材料的介电特性的测量，对于研究材料的微波特性和制作微波器件，获得材料的结构信息以促进新材料的研制，以及促进现代尖端技术(吸收材料和微波遥感)等都有重要意义。
本实验是采用反射式矩形谐振腔用微扰法来测量微波介质特性的。
反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，构成谐振腔，它具有储能、选频等特性。
而微扰法则是通过分析腔体的微小变形对谐振频率的影响，来测量谐振腔的一些主要参数的，它不仅对加深谐振腔的理解有帮助，而且在谐振腔的设计和调试中也有实际的应用。
2.1 实验目的1．了解谐振腔的基本知识。
2．学习用谐振腔法测量介质特性的原理和方法实验原理：一、谐振腔的基本知识谐振腔是在微波频率下工作的谐振元件，它是一个任意形状的导电壁（或导磁壁）包围的，并能在其中形成电磁振荡的介质区域，它具有储存电磁能及选择一定频率信号的特性。
1、谐振腔的基本参数谐振腔通常采用谐振频率f0 (或谐振波长?0)、品质因数Q0及等效电导G0作为它的基本参数。
（1）谐振频率f0 (或谐振波长?0)谐振频率描述电磁能量在谐振腔中的运动规律。
它是指在谐振腔中激起的电磁振荡的工作频率（或工作波长）。
比较普遍的求解谐振频率的方法是“场分析的方法”，它从求解谐振腔的电磁场边值问题入手，导出谐振频率或波长。
从电磁场理论可知，在自由空间中，电磁场满足的波动方程及边界条件为2?E?kE?0 n?E?0 22?H?kH?0 n?H?0 1 222式中,k2??2k0??2?k0??2，μ、ε为谐振腔中介质参数,n 是由腔壁导体无耗?指向外的法向单位矢量,k是与谐振腔的几何形状、尺寸及波型有关的数值。
在谐振腔内满足式1的电磁场对应于一系列的确定的kn 值(称为本征值)。
即kn??n0 2或f0n?kn2? 3求出了本征值kn后,谐振腔的谐振频率f0n即可由式3求出。
