[發(fā)明專利]一種精確測(cè)量介電常數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410049841.1
• 申請(qǐng)日: 2014-02-12
• 公開（公告）號(hào): CN103913640B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文舸一;蔣佳佳;王峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R27/26
• 分類號(hào): G01R27/26
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司32206
• 代理人: 顧進(jìn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微博測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種利用天線輸入阻抗的變化和輻射場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量出樣本的電磁參數(shù)（介電常數(shù)和損耗）的方法。

背景技術(shù)

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，航空航天、軍事民用、數(shù)字通信、科學(xué)研究等領(lǐng)域?qū)ξ⒉ㄔ骷男枨笤絹碓蕉啵沟梦⒉ú牧稀⑽⒉ń橘|(zhì)基板和元器件也不斷地被開發(fā)，這些材料已經(jīng)產(chǎn)生了越來越重要的作用。微波材料現(xiàn)在已經(jīng)用于各種微波產(chǎn)品中，隨著人們研究微波的頻段越來越高，隨之的微波器件也越做越小，新材料的不斷發(fā)明和出現(xiàn)，工藝要求的數(shù)據(jù)也越來越精確，使得人們不得不研究出更先進(jìn)的方法，制造出更加精密的儀器去測(cè)量微波材料和器件的參數(shù)。而介電常數(shù)和損耗是微波工藝中必不可少的參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量電介質(zhì)材料的介電常數(shù)和損耗對(duì)將來的研究和應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的意義，也早已成為國內(nèi)外人們研究的課題，并逐漸形成成熟的理論和測(cè)試方法。

低介電常數(shù)材料在半導(dǎo)體集成電路中應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)是研究的熱門課題，如今所知的最低介電常數(shù)材料是基于氣凝膠的低介電常數(shù)材料，其相對(duì)介電常數(shù)只有1.3（空氣約為1）；而高介電常數(shù)材料（相對(duì)介電常數(shù)大于10）主要應(yīng)用于微波頻段的設(shè)備生產(chǎn)研究中，高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷就是其中的典型代表，它可以用于微波低頻段通信系統(tǒng)中的介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器。在微波設(shè)備和微波電路中，特別是在微波集成電路中，大量地使用著各種介質(zhì)材料，具體來說，在考慮到高頻電路板選材時(shí)，在設(shè)計(jì)微帶電路、微帶天線時(shí)，都必須知道介質(zhì)材料的精確介電性能參數(shù)，否則會(huì)造成各種設(shè)計(jì)工作的無法進(jìn)行，對(duì)各部件功能造成不可預(yù)測(cè)的影響，因此，測(cè)量介質(zhì)材料的介電性能參數(shù)對(duì)研究人員和設(shè)計(jì)人員具有很重要的意義。

隨著微波材料越做越好，像氣凝膠的低介電常數(shù)材料和微波高介電常數(shù)陶瓷材料的出現(xiàn)，各種新興的材料也不斷涌現(xiàn)，所以介電常數(shù)越來越重要，是微波電路和材料中必不可少的參數(shù)，國內(nèi)外已經(jīng)涌現(xiàn)出很多種測(cè)量介電常數(shù)的理論和方法，最早在1929年就有測(cè)量介電常數(shù)的概念了，縱觀這些方法，總的可以分為非諧振法和諧振法，他們都是測(cè)量介電常數(shù)非常有效的方法。但隨著技術(shù)水平和設(shè)備越來越先進(jìn)，測(cè)量的精度也越來越高。

下面介紹幾類常用的介電常數(shù)的測(cè)量方法：

一、非諧振法

把一個(gè)待測(cè)樣品放在一部分傳輸線、波導(dǎo)或者平面結(jié)構(gòu)中，比如微帶線或條狀線，就可以測(cè)得的散射參數(shù)，再通過散射方程計(jì)算出介電常數(shù)。非諧振法主要包括反射法和傳輸/反射法。

1、反射法：

（1）、波導(dǎo)法：將一小片散射樣本填充在波導(dǎo)傳輸線中，從兩端的介質(zhì)反射系數(shù)中可以通過公式計(jì)算出介電常數(shù)；

（2）、同軸線法：把樣品填充到同軸線中，然后根據(jù)反射系數(shù)的變化得出結(jié)果；

（3）、自由空間法：一頻率固定線極化平面均勻波入射到自由空間中厚度為d的平面樣本上，可測(cè)出傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，再通過公式推導(dǎo)計(jì)算。

2、傳輸/反射法：

（1）、圓波導(dǎo)法：把一段和圓波導(dǎo)同軸的樣本放入波導(dǎo)中，TE模波傳輸后相位變化等求出；

（2）、同軸線間斷法：同軸線去掉一段把散射樣本嵌入到之中去，樣本收到入射電磁場(chǎng)的照射，從散射方程中分析樣本表面電場(chǎng)，寫出入射場(chǎng)的空間分布，通過計(jì)算得出介電常數(shù)的值。

使用非諧振法可以很成功地測(cè)量高介電常數(shù)和損耗的材料，但是需要一個(gè)較大的樣本，而且對(duì)于低損耗材料測(cè)量的精確度比較低。

二、諧振法

諧振法主要是把散射樣本放入在一個(gè)微波諧振器中，通過諧振器的內(nèi)部參數(shù)的變化（如諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)），再求得樣本的介電常數(shù)。諧振法主要分為諧振腔法和諧振微擾法。

1、諧振腔法：

（1）金屬罩諧振器法：同軸柱形樣本放在柱形金屬罩內(nèi)，和金屬圓柱體有同樣的高度，從混合模的特征方程中解出諧振頻率，然后再得出結(jié)果；

（2）夾層法：將散射樣本夾在兩塊高溫金屬薄片之間，且之間沒有縫隙，得出他們的諧振特性，再計(jì)算出介電常數(shù)；

（3）回音壁諧振法：回音壁諧振法是測(cè)量低耗材料介電常數(shù)最精確的方法之一，它的輻射損耗很小，從諧振頻率和邊界條件中得出介電常數(shù)的值。

諧振法因?yàn)槠涓呔扰c靈活性被廣泛應(yīng)用，適合低損耗的介質(zhì)和材料，但是其樣本加工和模型制作比較繁瑣，無法勝任對(duì)高介電常數(shù)的測(cè)量。

2、諧振微擾法：