复介电常数的测量

复合材料介电常数1. 介电常数的概念介电常数是复合材料中一个重要的物理参数，它描述了材料对电场的响应程度。

在电场作用下，材料中的电荷会发生重新排列，形成电偶极矩，从而产生极化效应。

介电常数与材料的极化能力有关，它是指材料在电场作用下，单位体积内所储存的电场能量与外加电场强度的比值。

2. 复合材料介电常数的影响因素复合材料的介电常数受多种因素的影响，下面将介绍几个主要的因素：2.1 成分复合材料的成分直接决定了其固有的介电性能。

不同材料的介电常数差异很大，例如，金属通常具有较低的介电常数，而陶瓷和聚合物等绝缘材料则具有较高的介电常数。

因此，通过优化复合材料的成分组成，可以实现对介电常数的调控。

2.2 结构复合材料的结构对介电常数也有很大影响。

例如，纤维增强复合材料中的纤维方向对于介电常数具有显著影响。

当纤维与外加电场方向垂直时，复合材料的介电常数较高，而当纤维与外加电场方向平行时，介电常数较低。

此外，复合材料中的孔隙率、孔隙形状和孔隙分布等结构参数也会对介电常数产生影响。

2.3 温度温度是影响复合材料介电常数的重要因素之一。

随着温度的升高，复合材料中分子的热运动增加，从而使介电常数减小。

不同材料对温度的敏感程度也有所不同，这需要在应用中进行考虑。

3. 复合材料介电常数的测量方法测量复合材料的介电常数是评估其电磁性能的关键。

下面介绍几种常用的测量方法：3.1 表观介电常数法表观介电常数法是最常用的测量复合材料介电常数的方法之一。

该方法通过测量样品在不同频率下的电容值，计算得到表观介电常数。

这种方法简单、快速，并且不需要破坏性的处理样品，适用于大部分复合材料。

3.2 微波共振法微波共振法利用微波介电谐振腔来测量样品的介电常数。

通过测量谐振频率和电容值的变化，可以得到样品的介电常数。

这种方法适用于对高频范围内复合材料的介电常数进行测量。

3.3 场景建模法场景建模法是一种基于数值模拟的方法，通过建立复合材料的电磁场模型，计算得到样品的介电常数。

毫米波椭偏法测量介质的复介电常数李素萍;王子华;张友俊;张胜;李铭祥;李英【摘要】将椭圆偏振测量法(椭偏法)的电磁频谱从原来可见光、红外波段拓展到毫米波段,对毫米波椭偏法测量原理进行理论分析,使用已构建的实验装置进行测量.通过对测量结果的分析,选择合适的入射角,经过大量测试,计算出被测介质材料的复介电常数.【期刊名称】《上海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(016)004【总页数】5页(P371-375)【关键词】复介电常数;椭圆偏振测量法(椭偏法);反射系数;毫米波【作者】李素萍;王子华;张友俊;张胜;李铭祥;李英【作者单位】上海大学,通信与信息工程学院,上海,200072;上海大学,通信与信息工程学院,上海,200072;上海海事大学,信息工程学院,上海,200135;上海大学,通信与信息工程学院,上海,200072;上海大学,电子物理研究所,上海,201800;上海大学,通信与信息工程学院,上海,200072【正文语种】中文【中图分类】TN015Abstract:The electromagnetic frequency band of ellip sometry is extended from visible light and infrared band to millimeter-wave band.We analyze the measurement p rinciple of ellipsometry in millimeter-wave band,andcarry out experimentsusing a self-builtmeasurement apparatus.From themeasured results,an appropriate incident angle ischosen.We obtain complex permittivity of materialsbased on a large amount of measured data.Key words:complex permittivity;ellipsometry;reflectioncoefficient;millimeter-wave应用现代光电信息技术来获取物质和材料的特征信息 (如物理和结构参量)是信息科学的重要课题之一,也是信息和材料科学的交叉和结合点.电磁波的偏振是其矢量特征的标志,与波的幅度、相位、频率、时延等特性相比,具有更丰富的信息含量,故在材料特性检测中有着广泛的应用.椭圆偏振测量法(椭偏法)[1-4]是通过检测样品的反射或透射波相对入射波偏振状态的改变来准确计算出样品的光、电特性和几何参数 (如薄膜的厚度等),故与入射波的强度无关,具有高度的重复性和稳定性.椭偏法是一种高灵敏度、高精度的现代检测技术,能适应各种温度、压力和腐蚀性环境,可实现非接触、无损检测,故已广泛应用于材料 (介电材料、铁电材料、导体、半导体、超导体、合成材料、复合材料、生物材料、纳米材料等各类材料)特性等方面的测量.可见光和红外波段的椭偏法在20世纪80年代已形成体系,并不断发展[5-6].微波、毫米波段的椭偏法近年来已得到各国学术界的重视[7-10],并处于探索阶段.毫米波和太赫兹波具有“似光性”,但又能穿透许多不透光的物质和材料,故构建一种新型有效的毫米波椭偏仪,并建立与之适应的测量方法,是椭偏法学科的发展前沿,不仅具有很高的学术价值,也有很广阔的应用前景.本工作将椭偏法的电磁频谱从原来可见光、红外波段拓展到毫米波段,结合毫米波段的特点,对椭偏法的测量原理进行了分析.在毫米波段,应用本课题组已经设计完成的椭偏仪系统进行测量,计算出了被测样品的复介电常数.当电磁波对平板样品照射时,其平行于入射面电场分量 (TM波)和垂直于入射面电场分量 (TE波)的反射系数分别为式中,Ψ 为 TM波和 TE波的振幅比Ψ =为 TM波和 TE波的相位差Δ=ψTM-ψTE.只要测出Ψ和Δ,就可利用 Newton法等数值方法推导出待测样品的复介电常数εr.在进行测量的过程中,电磁波斜入射样品时,正交的电磁场矢量之间会产生相位变化,即入射波相对入射面分解为平行分量和垂直分量,这两个分量经样品表面反射之后,会产生幅度和相位的变化.所以,只要得到反射波偏振状态的变化,就可求出反射后电磁波的振幅比和相位差.为了在毫米波段测量出反射波的振幅比和相位差,本研究采用旋转角锥喇叭天线进行测量,使得接收 (检波)天线与偏振波有关,即相当于光波段椭偏法的旋转检偏器.接收天线的方位角取与入射平面相垂直的轴之间的夹角θ(当θ为0°或180°时,TM波的接收灵敏度最大,而 TE波的接收灵敏度最小).毫米波椭偏法的实验测量系统,即椭偏仪装置如图1所示,主要包括信号源、隔离器、角锥喇叭天线、平方律检波器和电压表等仪器.信号源的作用是产生毫米波信号;隔离器保证了电磁波的单向传播;角锥喇叭天线用来发射和接收毫米波信号,其作用相当于光波段椭偏法中的起偏器和检偏器;接收到的毫米波信号经过放大器、检波器之后,通过电压表读出反射波的电压值.测量原理在文献[10]的基础上有所改进,本研究测量的是反射波的接收电压U和接收天线方位角θ之间的关系.当发射天线的方位角取+45°,即θr=+45°时,入射波以线偏振波照射到样品上,此时有等量的 TM波和 TE波入射,而观察到的反射波则为椭圆偏振波.当接收天线的方位角为θ时,接收到的反射波电压值U由下式表示:将接收天线的方位角θi从0°旋转到360°,记录下所测出的 N个接收电压U(θi)值,可求出二次傅里叶系数α,β为当发射天线的方位角取 -45°,即θr=-45°时,反射波的接收电压U为用角锥喇叭天线进行测量时,由于波束有一定的宽度,接收天线不能捕获到全部电波,所以当接收天线旋转时,就会产生误差.这些由接收天线旋转所产生的高频波分量、旋转轴的错开等因素可用系数C(θ)表示,这时测出的接收信号U可作下列修正:参照文献[10],用傅里叶分析校正椭偏法 (Fourier analysis correction ellipsometry,FACE)对α,β值进行修正,直至求出修正值.因此,只要测出反射波的接收电压 U相对于接收天线方位角θ之间的关系,就可求出二次项系数α,β,然后推导出椭偏参数Ψ和Δ的值,由此可以计算出样品的复介电常数εr.2.1 入射角的选择使用本课题组优化设计的实验装置进行实验测量.当毫米波频率 f=30.95 GHz,被测样品的厚度d=1 mm,入射角φ =30°,55°,80°时 ,介电常数εr与椭偏参数Ψ,Δ的关系如图2所示.由图2可知,随着入射角φ的减小,椭偏参数Ψ,Δ的曲线随介电常数εr变化的速度趋于缓慢.这说明Ψ,Δ的微小测量误差会导致介电常数εr的较大误差,也就是说,入射角越大,其对介电常数的误差影响就越小.由此可以得出如下结论:入射角的取值越大,测量结果的精度越高.但是,当入射角过大时,收发天线之间又会产生直接耦合,从而影响到测量结果的精度.图3为入射波频率 f=30.95 GHz时,在不存在样品的情况下,接收电压 U随入射角φ的变化关系图.由图3可知,当入射角小于60°时,接收电压相对较小,此时可认为收发天线间不存在直接耦合.结合前面的结论,在实验测量中,选择入射角φ=55°.2.2 测量结果待测样品的材料为 FR4,尺寸为50 cm×35 cm,厚度为 0.98 mm,毫米波频率为30.95 GHz,入射角为55°.本课题组设计的椭偏仪装置如图4所示,使用毫米波椭偏法测量该样品的复介电常数.为了提高测量的精度,实验于微波暗室中完成.首先,将发射天线的方位角设为+45°,使其对样品进行照射.接收天线的方位角从5°旋转至360°,测量出各方位角θi所对应的电压值 Ui,测量数据如图5所示.利用式(11)和 (12)计算得出α=-0.848 6,β=-0.517 1.同理,将发射天线的方位角设为 -45°时,旋转接收天线,测量数据如图6所示,计算得出α=-0.847 5,β=-0.516 7.计算得出α,β的平均值分别为 -0.848 1和-0.516 9.利用式 (9)和 (10)计算出椭偏参数Ψ =15.999 0°,Δ =167.285 9°.根据求出的椭偏参数采用Newton迭代法进行数据处理,得到样品的复介电常数εr=4.808 8-1.159 9i.重复上述测量步骤,将实验数据记录在表 1中,并求出样品的复介电常数.由表 1可知,椭偏参数的平均值分别为Ψ =16.032 6°,Δ =167.701 0°,复介电常数的平均值为εr=4.835 9-1.143 4i,其实部和虚部的标准偏差分别为0.145 9和0.187 5.由此可知,用毫米波椭偏法求出的复介电常数实部的测量精度比虚部高,即计算得到的虚部存在一定的误差.在装置调试的过程中,不可避免地会存在一定的误差,这些误差包括入射角误差、信号源的频率误差、介电常数和厚度的误差、样品垂直度误差以及方位角的误差等,因此测量结果也存在一定的误差.本工作将椭偏法的电磁频谱从原来可见光、红外波段拓展到毫米波段,对椭偏法的测量原理进行了理论分析.结合毫米波段的特点,使用已经构建的椭偏仪装置进行测量,通过对测量结果的分析,选择了合适的入射角.在毫米波段,利用椭偏法进行了大量的测量,采用 Newton迭代法进行数据处理,计算出了被测样品的复介电常数.这为毫米波椭偏法的进一步研究提供了重要的参考依据.【相关文献】[1] AZZAM RM A,BASHARA N M.椭圆偏振测量术和偏振光[M].梁民基,译.北京:科学出版社,1986:12-28.[2] SAGNARD F. Reflection ellipsometry for in-situ determination of comp lex permittivity and thickness of a single-layer material at several angles of incidence andfrequencies[J].M icrowave and Optical Technology Letters,2003,36(4):243-248.[3] 王洪涛.椭圆偏振法测量薄膜参量的数据处理 [J].物理实验,2001,21(7):8-11,17.[4] 包学诚.椭偏仪的结构原理与发展 [J].现代科学仪器,1999(3):58-61.[5] KAL IMANOVA I, IL IEVA N, GEORGIEVA M.Ellip sometry and thin films parameters measurement[C]∥ 28th Int Spring Seminar on Electronics Technology.2005:473-476. [6] GUITTET P Y,MANTZ U,WEIDNER P. Infrared spectroscopic ellipsometry in semiconductor manufacturing [C]∥ IEEE/SEM I Advanced Semiconductor Manufacturing Conference. 2004:176-180.[7] SAGNARD F,SEETHARAMDOO D,GLAUNEC V L.Reflection and transmission ellip sometry data analysis for measuring the complex permittivity of a single-layer material at microwave frequencies[J].M icrowave and Optical Technology Letters,2002,33(6):443-448.[8] SAGNARD F.Determination of complex permittivity and thickness of a single-layer material using reflection ellipsometry at several angles of incidence [J].M icrowave and Optical Technology Letters,2002,35(2):154-157.[9] TSUZUKIYAMA K,SAKA I T,YAMAZAKI T,et al.Ellipsometry for measurement of complex dielectric permittivity in millimeter-wave region [C]∥ 33rd European M icrowave Conference.2003:487-490.[10] SAGNARD F,BENTABET F,V IGNAT C. In situ measurements of the comp lex permittivity of materials using reflection ellipsometry in the microwaveband:experiments[J].IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement,2005,54(3):1274-1282.。

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。

材料复介电常数测试方法
嘿，你知道材料复介电常数咋测不？其实不难啦！先准备好测试设备，把材料放好。

然后调整参数，就像给汽车调试发动机一样仔细。

接着开始测试，看着数据一点点出来，那感觉超棒。

注意哦，可别粗心大意，不然数据不准可就悲剧啦。

这过程安全不？那必须安全呀！只要你按照正确步骤来，就不会有啥问题。

稳定性也杠杠的，只要设备没问题，数据就稳得很。

那这测试方法都啥应用场景呢？比如在电子领域，那可太重要啦！能帮工程师们更好地设计产品。

优势也不少呢，精准、快速，就像一把锋利的宝剑。

给你说个实际案例哈。

有一次，一个公司在研发新产品，就用了这个测试方法。

结果一下子就找到了最佳材料，产品性能那叫一个牛。

你说厉害不厉害？
所以呀，材料复介电常数测试方法真的超有用，能帮我们解决好多问题呢。

一种测量微波介质基板复介电常数的方法吴秉琪;刘长军【摘要】为了测量微波介质基板的复介电常数,提出了一种基于微带线测量的方法.通过使用微带线相关理论模型和电磁场仿真软件计算微带线辐射损耗,编写相应的计算机程序可以测得微波介质基板的复介电常数.在测量中,通过使用除长度外其他参数均相同的2条微带线的测量数据进行计算,减弱了由于实际测量中引入同轴接头而产生的测量误差.对多种常见的微波介质基板进行了测量,结果表明:与标称值相比,介电常数实部误差为1％左右,损耗角正切误差为10％左右,该测量方法切实可行和精确性高.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2018(045)004【总页数】4页(P100-103)【关键词】微带线;印刷电路板;微波测量;介电常数测量;损耗角正切;辐射损耗;有效介电常数;宽频带测量【作者】吴秉琪;刘长军【作者单位】四川大学电子信息学院,四川成都610004;四川大学电子信息学院,四川成都610004【正文语种】中文【中图分类】TN972介电常数和损耗角正切是介质基板的重要参数，在天线设计[1-2]与微波电路设计[3-4]中,微波介质基板的介电常数对其性能指标有重要影响。

许多学者已经进行了广泛和深入的研究以测量这2个参数[5-9]。

通过使用2段微带线测量介质基板的介电常数的方法，在文献[10]中最先提出，并用来测量介质基板的实介电常数。

与各种谐振法相比，使用该方法的优点为：减弱了在实际测量中由于使用同轴接头造成的测量误差；可以方便地测量随频率和位置变化而变化的介电常数；可以测量在1个频带范围内的介电常数，即测量是宽带的。

为了实现从测量数据到介质基板介电常数的转化，文献[10]使用了针对多层板的广义频域格林函数法。

本文使用了描述微带线工作特性的精确模型，建立了有效介电常数与介电常数之间的关系，通过编制计算机程序，可以快速准确地求解得到介质基板的介电常数。

本文对使用2条微带线测量实介电常数的方法进行了推广，使其可以用来测量介质基板的损耗角正切值。

带状线法测量微波材料的复介电常数张文喜;郑庆瑜;郑彩平【摘要】精确测量低损耗微波材料的复介电常数十分重要.利用带状线法测量微波介质基板常温和变温的复介电常数,得到了高精度的测试结果.结果表明了用带状线法测量低损耗微波介质基板复介电常数的有效性和准确性.还分析了带状线测试方法中产生的误差和应该注意的事项.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2014(009)002【总页数】5页(P136-139,144)【关键词】变温测试;带状线法;复介电常数;复合介质【作者】张文喜;郑庆瑜;郑彩平【作者单位】中国电子科技集团公司第46研究所,天津300220;中国电子科技集团公司第46研究所,天津300220;中国电子科技集团公司第46研究所,天津300220【正文语种】中文【中图分类】TM250 引言电子产业正在向高频化，宽工作频带，高传输速度方向发展，该趋势促进了高频微波材料的发展，同时也对微波介质材料提出了更为苛刻的要求。

众所周知在高频下电路信号的传输速度与介电常数有直接的关系，而信号的传输损失与介质损耗角正切成正比。

这些都表明准确测量微波材料在高频下的介电常数和介质损耗角正切十分必要。

介质材料的电磁参数测试方法主要分为网络参数法和谐振法［1］。

两种方法各有优缺点。

网络参数法能测试高损耗材料的复介电常数且能实现连续扫频测试，此外测试夹具加工相对简单，成本较低。

缺点是对低损耗材料的损耗测量精度不高。

谐振法适用于低损耗材料复介电常数的测试，测试结果比较精确。

但其测试频率受到腔体谐振频率的限制，若要实现宽频带的测试就要选用多模测试，并且相邻谐振模式间的频率间隔不能过大。

在多模测量过程中容易受到杂模的干扰，这是谐振法在测试过程中的一大难点。

采用带状线谐振法对低损耗覆铜板进行了复介电常数的常温和变温测试，得到高精度的结果，对测试中产生的误差进行了详细分析，提出了测试过程中应注意的事项。

1 实验部分1.1 测试原理带状线是由两块相距为b的接地板与中间宽度为W、厚度为t的矩形截面导体带构成，如图1所示。

国内统一刊号CN31-1424／TB0　引言随着电子元器件向微型化、集成化、高频化方向发展，越来越多的介质材料需要用复介电常数、复磁导率、复损耗角正切等微波特性参数来表征其性能。

微波工程中最常用的介质材料有聚四氟乙烯、云母、玻璃、塑料以及各种金属氧化物，介质材料已被广泛运用在微波电路、介质基片、同轴线中的绝缘支撑结构、介质天线中。

介质材料在微波器件、隐身技术、电磁测量、遥感测量、医疗卫生等领域发挥着越来越重要的作用，并已成为国内高端计量机构研究的热点之一。

随着微波技术、隐身技术的发展，介质材料的复介电常数、复磁导率、复损耗角正切参数的准确与否，直接影响到微波器件性能和电磁参数分析的准确程度。

因此，近年来介质材料的介电谱和磁谱越来越受到业内关注。

介质材料在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中被明确列为“新一代信息功能材料及器件”优先主题以及被列入基础研究领域中重点研究的新材料结构、性能表征新原理。

随着5G 技术的应用，介质材料的复介电常数性能成为表征高频高速材料微波特性的重要参数之一。

1　国内外同类研究现状分析国内外研究机构在固体介质材料的复介电常数的测量方法有传输/反射法、谐振腔法、自由空间法、平行电极法、拱形法等。

其中，传输/反射传输/反射法测量固体复介质材料介电常数蔡青1　赵锐2　陈超婵1 / 1.上海市计量测试技术研究院；2.中电科仪器仪表有限公司摘　要　介绍/传输反射法测量固体介质材料复介电常数等关键技术难点，通过建立固体介质材料的介电谱和磁谱测量装置，开展复介电常数、复磁导率、复损耗角正切测量技术研究，在30 M Hz ~ 18 GHz 采用空气线同轴传输的方法、在18 ~ 50 GHz 采用三段波导传输的方法，实现了30 M Hz ~ 50 GHz 全频段固体介质材料电磁参数的测试能力，提出了复介电常数、复磁导率、复损耗角正切测量的数学模型，编制了材料测试软件，实现了同轴和波导的全频段测量。