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谐振腔法测量低损耗材料介电参数的误差分析
陈明珠
【期刊名称】《光纤与电缆及其应用技术》
【年(卷),期】1991()4
【摘要】本文讨论了用K:波段螺旋谐振腔测量低损耗介质材料的介电常数e′和损耗角正切tgσ的误差。
这些误差值同国外用同样的方法和同样的材料测量得到的误差值进行了比较,在实验误差范围内取得了较好的一致性。
【总页数】3页(P12-13)
【关键词】介质材料;电容率;测量;谐振腔法
【作者】陈明珠
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TM934.32
【相关文献】
1.介质柱谐振器法测量微波陶瓷介电参数的误差分析与实验研究 [J], 胡明哲;顾豪爽;钱俊;李位勇;欧阳俊;周东祥
2.辣椒介电参数测量误差分析及改进研究 [J], Yan Jinshan;Shi Zenglu;Jin Wei;Xin Qianqian;Luo Kai;Fang Xu
3.基于同轴谐振腔法的材料电参数测量 [J], 薛冰;纪奕才
4.8毫米波段低损耗材料介电参数测量 [J], 吴富根;韩国富;陈明珠
5.用复合谐振腔法测量介质谐振器材料的介电特性 [J], 汪红梅;倪尔瑚
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基于谐振腔体法的材料电磁参数测试刘迪安捷伦公司网络分析仪产品事业部，北京市朝阳区望京北路3号，100102电话:010-********，邮件：di_liu@摘要：针对介质材料的电磁参数测量，业界普遍采用传输反射法，常用的夹具有同轴空气线、波导、天线、同轴探头等，此种方法适合宽频测量，但是精度相对不高，此外要求样品的机械加工能力。
如果要求很高的精度，更多的是采用谐振腔体法。
本文介绍了一种全新的分裂圆柱体谐振腔体，并且以聚四氟乙烯的测量为例，详细介绍了采用这种腔体完成介质材料测试的具体过程。
此项方法具有精度高、操作简单的特点，最适合于衬底, 薄膜, PCB等材料的测量，并且遵循IPC测试规范TM-650 2.5.5.13。
关键词：谐振腔体；材料测量；电磁参数；网络分析仪Electromagnetic properties measurement of dielectric materialbased on resonant cavity methodLiu DiCTD, Agilent Technologies, Inc.No.3 WangJing Bei Lu，ChaoYang District, Beijing 100102Tel:010-********，Email:di_liu@Abstract: For the electromagnetic properties measurement of dielectric material, Transmission/Reflection method is commonly employed with coaxial airline, waveguide kits, antenna, and coaxial probe used as fixture, this method is fit for broadband measurement with the relative low accuracy, and also requires high machine capability of sample. If high accuracy is required, resonant cavity method is recommended. In this paper, we will introduce a new Split-Cylinder resonator, and also the whole process for dielectric material measurement taking Teflon for example by use of this resonator. This method is very accurate and easy to use, best for substrates, thin films and PCBs, and complies with IPC test method TM-650 2.5.5.13.Keyword: Resonant cavity；Material measurement；Electromagnetic prosperities;Network analyzer引言近年来，随着射频微波技术的飞速发展，航空航天、通信技术与信息技术等高科技领域对射频微波元器件的要求也随着提高，使得射频微波材料在这些领域起到了越来越重要的作用。
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。
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。
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。
实验三利用谐振腔及微扰法测试介质参数试验一、预习要求1、什么是微波谐振腔？2、什么是微扰法？3、了解测试系统的基本组成二、实验目的1、认识谐振腔，理解耦合的原理和作用2、通过了解介质微扰的特性3、掌握介质参数测试原理三、实验原理本装置的基本形式是四分之一波长开路同轴传输线谐振腔（以后简称开路腔）。
通过加装短路块，可构成电容加载的同轴传输线谐振腔（以后简称加载腔）。
与标量网络分析仪配合，可做谐振腔各项参数的测量，也可用作介质参数测量的传感器。
`本装置由腔体、内导体、耦合元件及传动、读数机构组成。
通过耦合元件可在谐振腔中激励（或耦合）同轴传输线中的TEM模。
腔体机构图如图1，其内径为24mm、内导体直径为8mm、内导体自短路面伸入腔体最大长度42mm、调节范围25mm。
对开路腔而言，其谐振频率范围为1.8~4.3GHz。
腔体和内导体均为HPb—59黄铜制作。
表面涂复7μm银层。
特性阻抗65.8Ω。
本装置配备有耦合环和耦合探针各两件。
学生可根据兴趣组成不同耦合方式的反射型或传输型谐振腔。
通过螺旋测微器，可精确调节和显示内导体的位置，并可将其固定。
在开路腔、内导体开路端内外导体间，装入小尺寸的介质样品环。
读出加入样品前后，谐振频率和有载品质因数的变化。
根据微扰原理，可计算样品的介电常数实部ε'和损耗角正切tanδ。
端盖图1谐振腔结构示意图四、实验内容与步骤1、谐振腔的激励与耦合；谐振腔由其耦合方式不同可以分为反射型和传输型两种类型，分别介绍如下：1.1．反射型谐振腔：将耦合环和耦合探针插入谐振腔任一耦合孔中，将其与标量网络分析仪的定向器件（驻波比桥或定向耦合器）测试端相连。
扫描范围设定为1.8~4.3GHz，调节耦合环的插入深度、方向。
可在显示屏上观测到谐振腔反射的频率响应曲线（反射谐振曲线）。
继续调节耦合环的插入深度和方向，使在感兴趣的频率上接近匹配状态。
（反射损耗—dB数最大或驻波比最小）。
分体圆柱谐振腔法用于金刚石膜微波介电性能测试的研究苏静杰;杨梓;李义锋;唐伟忠;安晓明;郭辉【摘要】针对金刚石膜微波介电损耗低、厚度薄带来的微波介电性能测试难点，研制了一台分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置。
利用不同直径的蓝宝石单晶样品，用上述装置对低损耗薄膜类样品微波介电性能的测试能力及样品直径对测试结果的影响进行了实验研究。
在此基础上，使用分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置对微波等离子体化学气相沉积法和直流电弧等离子体喷射法制备的高品质金刚石膜在 Ka 波段的微波介电性能进行了测试比较。
测试结果表明，由Raman光谱、紫外-可见光谱等分析证明品质较优的微波等离子体化学气相沉积法制备的金刚石膜具有更高的微波介电性能，其相对介电常数和微波介电损耗值均低于直流电弧等离子体喷射法制备的金刚石膜。
%Regarding to the difficulties in measuring microwave dielectric properties of diamond films due to their characteristics of low dielectric loss and small thickness, a split-cylinder resonator apparatus was established. By measuring dielectric performances of sapphire samples with different diameters, the capability of the split-cylinder resonator for measuring low dielectric loss materials was demonstrated, and the influence of sample’s diameter on measurement results was studied. Then by using the split-cylinder resonator apparatus, dielectric properties of high quality diamond films prepared by two different methods, microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) and DC arc plasma jet, were measured in the Ka band. Results show that the diamond film deposited by MPCVD method has a higher quality than that of the diamond film deposited by the DC arcplasma jet method, which is consis-tent with the results of their Raman and UV-visible absorption spectra. The results indicate that both the relative di-electric constant and the loss tangent of the sample deposited by MPCVD method are lower than those of the sample prepared by DC arc plasma jet method.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P751-756)【关键词】微波介电性能;分体圆柱谐振腔;金刚石膜【作者】苏静杰;杨梓;李义锋;唐伟忠;安晓明;郭辉【作者单位】北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083; 中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;河北省科学院激光研究所，石家庄050081;河北省科学院激光研究所，石家庄050081【正文语种】中文【中图分类】TQ174近年来,随着微波电真空器件向着大功率、宽频带、小型化和高频率的方向发展,对微波介电材料的性能提出了更高的要求[1-2]。
![低损耗材料微波介电测试中TE011谐振模式的识别方法[发明专利]](https://uimg.taocdn.com/3264ff1b4693daef5ff73db3.webp)
专利名称：低损耗材料微波介电测试中TE011谐振模式的识别方法
专利类型：发明专利
发明人：李雷,陈湘明
申请号：CN201910827868.1
申请日：20190903
公开号：CN110441614A
公开日：
20191112
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及低损耗材料微波介电测试中识别TE谐振模式的方法。
该方法引入了具有已知介电常数的基准试样。
根据谐振器中只放置基准试样及同时放置基准试样和待测试样时TE模式谐振频率的变化，即可通过数值方法计算出待测试样的介电常数，并由此进一步计算出只放置待测试样、进行微波介电性能测试时TE模式的谐振频率。
此谐振频率的计算值与实际测试值相差在1％以内，因此能准确地将TE模式从大量干扰模式中识别出来。
与之前TE谐振模式的识别方法相比，本发明提供的方法具有准确、简单、快速的特点。
申请人：浙江大学
地址：310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
国籍：CN
代理机构：杭州求是专利事务所有限公司
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北京邮电大学电磁场与微波测量实验实验六用谐振腔微扰法测量介电常数学院：电子工程学院班级： 2011211207组员：邹夫、李贝贝、马睿执笔：李贝贝目录1.实验目的 (1)2.实验原理 (1)3.实验装置 (3)4.实验内容 (3)5.实验数据 (4)6思考题 (4)7.实验总结 (5)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。
2.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：f0为腔的谐振频率，f1，f2分别为半功率点频率。
谐振腔的Q 值越高，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。
如果在矩形谐振腔内插入一样品棒，样品在腔中电场作用下就会极化，并在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。
图1 反射式谐振腔谐振曲线 图2 微找法TE10n 模式矩形腔示意图电介质在交变电场下，其介电常数ε为复数，ε和介电损耗正切tan δ可由下列关系式表示：εεε''-'=j ， εεδ'''=tan ，其中：ε，和ε，，分别表示ε的实部和虚部。
选择TE10n ，(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 ＝α／2，z ＝l ／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。
2．介质棒样品体积Vs远小于谐振腔体积V0，则可以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，因此可以把样品看成一个微扰，则样品中的电场与外电场相等。
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。
