1、精選課件波導傳輸波導傳輸/ /反射法反射法測量測量介質介電常數介質介電常數精選課件v自然界中大多數物質在微波波段都呈現為有損耗的自然界中大多數物質在微波波段都呈現為有損耗的絕緣體，稱之為電介質，簡稱介質。介質在電場的絕緣體，稱之為電介質，簡稱介質。介質在電場的作用下都會發生極化現象，即介質在外加電場的作作用下都會發生極化現象，即介質在外加電場的作用下其內部的正負電荷向著相反方向發生微小位移，用下其內部的正負電荷向著相反方向發生微小位移，從而產生許多電偶極矩。介質極化后在介質內部產從而產生許多電偶極矩。介質極化后在介質內部產生一個極化電場，這個電場的方向與外加電磁場的生一個極化電場，這個電場的方

2、向與外加電磁場的方向相反，大小與介質的極化程度、物質成分和物方向相反，大小與介質的極化程度、物質成分和物理狀態，外界溫度頻率等有關。理狀態，外界溫度頻率等有關。v介質的介電常數定義為電通量介質的介電常數定義為電通量D D與外加電場強度與外加電場強度E E的的比值，是一個用來衡量介質中的電荷在外加電磁場比值，是一個用來衡量介質中的電荷在外加電磁場作用下發生極化后的分布情況的一個常量作用下發生極化后的分布情況的一個常量 介電常數介電常數精選課件 介電常數是一個由本身性質和外界環境共同決定的反映介質電特性的物理量。 宏觀上反映介質對電磁波輻射，散射，反射，吸收，傳輸等特性，微觀上反映物質內部化學和物

3、理結構。 通過它將介質極化的宏觀現象和介質的微觀結構聯系起來。精選課件l物質在靜電場中（無電磁波時）的介電常數是一物質在靜電場中（無電磁波時）的介電常數是一個標量，實數個標量，實數 l物質在交變電場中（有電磁波時）的介電常數是物質在交變電場中（有電磁波時）的介電常數是一個復數一個復數 介電常數的虛部反映波傳播的損耗，實部反映波介電常數的虛部反映波傳播的損耗，實部反映波傳播時狀態的改變，如相位，相速，波阻抗等的傳播時狀態的改變，如相位，相速，波阻抗等的改變。改變。j精選課件介電常數測量方法介電常數測量方法v傳輸線法如波導法，同軸線，帶狀線傳輸線法如波導法，同軸線，帶狀線 將被測介質作為傳輸線的一

4、部分，測量將被測介質作為傳輸線的一部分，測量負載（被測介質）在傳輸線（傳輸系統）上負載（被測介質）在傳輸線（傳輸系統）上的行駐波分布，測量其駐波系數，波節點位的行駐波分布，測量其駐波系數，波節點位置（相位），以此計算負載的反射系數，阻置（相位），以此計算負載的反射系數，阻抗，網絡參量等，進而實現其介電常數的反抗，網絡參量等，進而實現其介電常數的反演演 精選課件v諧振腔法將被測介質放入諧振腔中，諧振腔法將被測介質放入諧振腔中，引起諧振頻率和品質因數變化，其測得引起諧振頻率和品質因數變化，其測得的變化值與介質的介電常數有定量關系的變化值與介質的介電常數有定量關系 v自由空間波法光學方法。通過測量介

5、質的折射率，得到其與介電常數的定量關系。精選課件波導傳輸波導傳輸/ /反射法反射法vNRWNRW傳輸傳輸/ /反射法：將待測樣品作為二端口網絡，測反射法：將待測樣品作為二端口網絡，測量兩個端口的量兩個端口的s s參數，即參數，即s11s11，s21,s22s21,s22，s12s12，然后，然后根據測得的根據測得的s s參數算出介質的介電常數參數算出介質的介電常數v該可以方法測量介質復介電常數，適應于同軸和波該可以方法測量介質復介電常數，適應于同軸和波導系統，采用同軸線時傳輸波為導系統，采用同軸線時傳輸波為TEMTEM波，而波導系波，而波導系統中傳輸的是統中傳輸的是TETE1010波。波。v該

6、方法的優點是簡單且具有較的高精度，然而，該該方法的優點是簡單且具有較的高精度，然而，該方法存在厚度諧振，多值，以及不易測量極薄材料方法存在厚度諧振，多值，以及不易測量極薄材料等問題等問題 。精選課件精選課件Coaxial ConverterWaveguideCoaxialVector Network Analyzers Wave-guide method dielectric constant measuring system精選課件The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system精選課件l 同軸線校

7、準同軸線校準l 同軸波導校準同軸波導校準精選課件一一. .矢量網絡分析儀同軸線校準矢量網絡分析儀同軸線校準v打開矢量網絡分析儀，設置好掃描頻率（24G），點數（801），掃描時間（6ms） v為了將測量的二端口網絡散射參數校準到同軸線的端口，要先使用矢量網絡分析儀的標準件（開路器，短路器，匹配負載，直通）和自帶的校準程序進行校準精選課件二二. .同軸波導校準同軸波導校準為了將同軸線兩端口的散射參數校準到測量波導的兩為了將同軸線兩端口的散射參數校準到測量波導的兩個端面，需要進行非標準件和自己編寫的校準程序進個端面，需要進行非標準件和自己編寫的校準程序進行同軸波導校準行同軸波導校準v將兩轉換頭波導

8、口對接：記錄此時的將兩轉換頭波導口對接：記錄此時的s s參數，記錄為參數，記錄為thru.s2pthru.s2pv在轉換頭波導口接上短路板：記錄此時的在轉換頭波導口接上短路板：記錄此時的s s參數，記參數，記錄為錄為short.s2pshort.s2pv將校準用波導接在兩轉換器之間：記錄此時的將校準用波導接在兩轉換器之間：記錄此時的s s參數，參數，記錄為記錄為line.s2pline.s2pv將需要測量的對象接在轉換器之間：記錄此時的將需要測量的對象接在轉換器之間：記錄此時的s s參參數數 v導入校準程序，得到測量波導兩個端面的導入校準程序，得到測量波導兩個端面的s s參數參數精選課件精選課

9、件樣品端面樣品端面S S參數到介電常數的計算參數到介電常數的計算22112221122222(1)(1)11cddccdcdTTssssTT 表示待測樣品的傳輸系數表示待測樣品的傳輸系數 表示待測樣品的反射系數表示待測樣品的反射系數 s s1111、s s2222、s s2121、s s1212表示待測樣品的表示待測樣品的s s參數參數 dTc精選課件推導一推導一 ：介電常數一：介電常數一011cccczzz2222221121112111111111222cccssssKKKss 220021|()1 () cr zccczZcZc，Z Z0 0分別表示樣品和空氣的特征阻抗；分別表示樣品和空

10、氣的特征阻抗； 表示波導的截止表示波導的截止波長，只與波導尺寸和傳輸波型相波長，只與波導尺寸和傳輸波型相關關 ； 表示空氣中的工作波長，表示空氣中的工作波長， ；c c為光速常數；為光速常數； c222/()2/(/ )( / )ccmnkm an b00/cf精選課件v厚度諧振問題：對于某些頻點，即樣品長度正好厚度諧振問題：對于某些頻點，即樣品長度正好是半個波導波長的整數倍。是半個波導波長的整數倍。 S S1111- 0- 0，K K值具有極值具有極大不確定性，大不確定性， 產生尖峰，即厚度諧振，為不確產生尖峰，即厚度諧振，為不確定值，需要去除。定值，需要去除。r精選課件推導二：介電常數二推

11、導二：介電常數二11ln( )ln( )(2 )(0,1 ,2 )cdTTjnnll 22200|()()2crcc 2222222111211121211111222jdddTssssMTMMTesTs 表示樣品段傳播常數。表示樣品段傳播常數。 多值問題：由于多值問題：由于n n可能取多個不同的值，可能取多個不同的值， 值存在多值存在多個值，因而得到的介電常數可能存在多值。個值，因而得到的介電常數可能存在多值。cc精選課件厚度諧振和多值問題的解決厚度諧振和多值問題的解決v結合兩個推導公式分別計算介電常數一（有厚度諧結合兩個推導公式分別計算介電常數一（有厚度諧振但是無多值問題），介電常數二（有

12、多值問題但振但是無多值問題），介電常數二（有多值問題但是無厚度諧振）。將介電常數二與介電常數一進行是無厚度諧振）。將介電常數二與介電常數一進行比較，選取介電常數二中與介電常數一值范圍相近比較，選取介電常數二中與介電常數一值范圍相近值為正確值。所得到的結果既避免了多值問題又避值為正確值。所得到的結果既避免了多值問題又避免了厚度諧振問題免了厚度諧振問題精選課件2.62.833.23.43.63.84-0.500.511.522.533.544.5頻 率 （ GHz）介電常數相 對 介 電 常 數 計 算 2干土的介電常數干土的介電常數精選課件誤差分析及校正誤差分析及校正v定位誤差定位誤差 信號傳輸

13、方向上存在空氣段信號傳輸方向上存在空氣段精選課件v 定位誤差的校準定位誤差的校準波導口處的波導口處的s s參數為參數為 ，樣品兩端面的，樣品兩端面的s s參數為參數為 11121222 s sSs s11122122 s sSs s0 10120120 22()1112()22122 llllllseseSsese 為空氣段波導的傳播常數，放樣品的波導總長度為為空氣段波導的傳播常數，放樣品的波導總長度為l l，樣，樣品厚度為品厚度為d d，l1l1和和l2l2分別為兩個測量端面到樣品位置的長度，分別為兩個測量端面到樣品位置的長度，一般情況都將空波導當作是理想傳輸線，即只存在相位的變一般情況都將

14、空波導當作是理想傳輸線，即只存在相位的變化，而不會對信號產生衰減化，而不會對信號產生衰減0精選課件v電長度l1和l2的計算 A為 和 的相位差 22s11s0212012102()4224AldAlllldAldlll 精選課件v間隙誤差間隙誤差 波導壁存在空氣隙波導壁存在空氣隙 校正公式為校正公式為 其中其中 是由測量數據中直接推導出來的值，是由測量數據中直接推導出來的值， 表示修正以表示修正以后的數值。后的數值。 表示窄邊樣品的高度，表示窄邊樣品的高度， 表示波導窄邊高度表示波導窄邊高度與樣品高度的差。與樣品高度的差。 1rmrrmbbbb rmrbb精選課件小小 結結v頻率，掃描點數，掃描時間設置頻率，掃描點數，掃描時間設置v同軸線校準矢量網絡分析儀標準件校準同軸線校準矢量網絡分析儀標準件校準v同軸波導校準非標準件校準同軸波導校準非標準件校準vS S參數到介電常數的計算參數到介電常數的計算 定位誤差校正定位誤差校正 介電常數一和介電常數二介電常數一和介電常數二 間隙誤差校正間隙誤差校正精選課件 同軸探針法測量介電常數同軸探針法測量介電常數精選課件Coaxial probe permittivity measurement system精選課件Coaxial probe permittivity measurement system精選課件Coaxial probe