國防軍工計量技術規范JJF(軍工)170—2018微波頻段介質復介電常數和復磁導率校準規范andPermeabilityofMaterialsat起草單位：國防科技工業第二計量測試研究中心本規范起草人：張娜(國防科技工業第二計量測試研究中心)楊初(國防科技工業第二計量測試研究中心)陳婷(國防科技工業第二計量測試研究中心)劉杰(國防科技工業第二計量測試研究中心)李瑩(國防科技工業第二計量測試研究中心) 3 4.2介電常數實部 2 2 2 25.1環境條件 2 2 4 4 5 附錄C平板電容法介電常數實部不確定度評定示例_ 21附錄F準光腔變腔長法介電常數實部不確定度評定示例 31本規范適用于頻率范圍IMHz~110GHz各向同性均勻介質材料標準樣片復介電常數和復磁導率的校準2引用文件本規范引用了下列文件；GB11449波導法蘭盤凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規范；凡是不注日期的引用文件。其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規范。介質材料廣泛應用在航空、航天、電子、通信、食品、礦業、醫療等領域，其在微波頻段的復介電常數和復磁導率得到了密切關注。常用的測量方法有平板電容法、傳輸反射法、終端短路法、自由空間法和準光腔法等，依據測量頻率、測量準確度、介質材料可加工程度等選擇合適的校準方法，將介質加工成被校樣片進行復介電常數和復磁導率的校準。平板電容法測量原理為通過測量被校樣片放入前后電容量的變化，結合被校樣片面積、距離、頻率等計算被校樣片的復介電常數，要求被校樣片為表面光滑的平板。同軸/波導傳輸反射法測量原理為通過網絡分析儀校準被校樣片的散射參數，結合網絡理論計算被校樣片的復介電常數和復磁導率，同軸傳輸反射法要求被校樣片為圓環形，波導傳輸反射法要求被校樣片為矩形塊，其樣品厚度推薦為電磁介質中波導波長的四分之一。終端短路法測量原理為通過網絡分析儀讀取被校樣片的反射參數，根據復反射系數與復介電常數的關系，結合共余參量計算被校樣片的復介電常數，波導終端短路法要求被校樣片為炬形塊。自由空間法測量原理為通過網絡分析儀校準被校樣片的散射參數，根據散射參數與電磁參數的關系計算被校樣片的復介電常數和復磁導率。要求被校樣片為正方形平板，收發天線問距滿足遠場測量條件。準光腔法測量原理為在TEMmg工作模式下，通過網絡分析儀測量被校樣片加載前后的諧振頻率和品質因數，根據諧振頻率、試樣厚度、品質因數等計算被校樣片的復介電常數，要求被校樣片為圓片。4計量特性4.1頻率范圍4.2介電常數實部1)范圍：1~100;22)測量不確定度：0.5%~15%(k-2)。4.3電損耗角正切1)幅度范圍：2×102~1.0:2)測量不確定度：0.00002-0.005(k=2)。4.4磁導率實部1)范圍：0.6-10:2)測量不確定度：1%~15%(k-2)。4.5磁損耗角正切2)測量不確定度：0.005-0.2(-2)。5校準條件5.1環境條件a)環境溫度：23℃±5℃:b)相對濕度：≤80%;c)供電電源：(220±10)v.(50±1)Hz,實驗室內所有電氣設備都應接地良好，零線與地線間的電壓有效值應小于1V:d)其他：周圍無影響測量設備正常工作的機械振動和電磁干擾。5.2校準用設備校準用設備應經過計量技術機構檢定或校準，滿足校準使用要求，并在有效期內。a)矢量網絡分析儀1)頻率范圍：10MHz-110GHz:3)電壓駐波比測量不確定度：1%~4.6%(=2):4)傳輸幅度動態范圍：(0~90)dB;5)傳輸幅度測量不確定度：(0.1~0.8)dB(k=2);8)自由空間法中所用網絡分析儀需配備時域選項。b)阻抗/材料分析儀1)頻率范圍：IMHz-1GHz;2)阻抗模值：0.10-22kΩ:3)阻抗模值測量不確定度：1.2%~2%(k-2);5)阻抗相角測量不確定度：0.005nad-0.025rad(-2);6)反射系數模值：0.001-1:7)反射系數模值測量不確定度：0.01-0.012(A=2):e)同軸夾具2)電壓駐波比：≤1.20;4)外導體內徑(直徑):7.00mm+10μm5內導體外徑(直徑):3.04mm±10μm.d)波導夾具3)插入損耗：<0.20dB:4)法蘭形式：參見GB11449波導法蘭盤各波導波段標準法蘭盤FBP:5)波導尺寸：參見GB11449波導法蘭盤各波導波段標準波導口尺寸e)自由空間夾具2)尺寸：180mm×180mm×(0.1-20)mm:3)材質：聚四氟乙烯、木料等透波材料加工。0網絡分析儀校準件1)須率范圍：10MHz-110GHz2)同軸負載電壓駐波比：≤1.03;3)波導負載電壓駐波比：≤1.05:4)短路器反射系數模值：≥0.99.g)準光腔1)頻率范圍：8.2GHz-40GHz2)腔長調節分辨力：<lum:3)Q值(空載):10000-50000.3)增益：≥20dB。i)波導同軸轉接器1)頻率范圍：0.96GHz-40GHz:2)電壓駐波比：≤1.20。5)平板電容夾具2)最大耐壓：<40V峰值(AC+DC)。k)終端短路夾具1)頻率范圍：0.96GHz-40GHz:2)電壓駐波比：≤1.20.D)波導短路器1)頻率范圍：0.96GHz-40GHz:2)反射系數模值：≥0.95。m)自由空間短路板1)頻率范圍：26.5GHz-110GHz:2)尺寸：180mm×180mm:3)反射系數模值：≥0.99.n)自由空間直通標準1)頻率范圍：26.5GHz-110GHz:2)尺寸：180mm×180mm;3)插入損耗：≤0.1dB.o)游標卡尺1)測量范圍：0-200mm:p)千分尺2)最大允許誤差：±0.001mm。6校準項目和校準方法a)介電常數實部：b)電損耗角正切：c)磁導率實部：d)磁損耗角正切56.2校準方法6.2.1外觀及工作正常性檢查62.1.1被校樣片的外觀應完好，無影響其計量特性校準的機械損傷，表面平坦度等滿足校準方法所用測量夾具的要求：6.2.1.2被校樣片應有說明書，應對標稱值等信息進行描述6.2.1.3被校樣片形狀、尺寸及公差應符合校準方法所用測量夾具的要求，如表1所示12法34562.2介電常數實部6.22.1平板電容法a)a)按圖1連接儀器，依照儀器說明書完成預熱；b)復位阻抗/材料分析儀，選擇材料測量類型為Permitivity:e)根據被校樣片的頻率范圍設置阻抗/材料分析儀的起始頻率、終止頻率和測量點4)如圖1所示，將校準件分別放入平板電容夾具兩極板之間，對測量系統進行校準：e)將被校樣片取代校準件放入平板電容夾具兩極板之間0設置阻抗/材料分析儀顯示格式為【e1.調整刻度(【scale】D)使顯示曲線居中且至少占滿屏暮的1/2:)使用頻標([murkerD讀取各頻率上的介電常數實部測量結果，并將結果記錄在62)復位矢量網絡分析儀，設置適當的中頻帶寬(通常為100Hz),根據被校樣片的故導悶3)如圖2所示，在矢量網絡分析儀的端口1和端口2之間連接校準件，完成全二式中：d—被校樣片距離端口1的距離，單位米，m校祥片厚度，單位米，m9)采用附錄J中1.1方法計算介電常數實部，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。b)非嵌入式D)按圖3連接儀器，依照儀器說明書完成預熱mm00aa2)復位矢量網絡分析儀，設置適當的中頻帶寬(通常為100Hz),根據被校樣片的頻率范圍設置矢量網絡分析儀的起始頻率、終止頻率和測量點數：3)如圖3所示，在矢量網絡分析儀的端口1和端口2之間連接校準件。完成全二端口校準：4)將被校樣片放入同軸夾具或波導夾具，連接于矢量網絡分析儀的端口1和端口25)分別設置矢量網絡分析儀測量參數為【S1.【S?1.【S?1.【S?1.設置矢量網絡分析儀顯示格式為【Real】.調整刻度([scaleD使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的1/2.使用頻標(【mrkerD讀取各頻率上的測量結果；6)分別設置矢量網絡分析儀測量參數為【Sn1.【Sm1.【S?1.【S_】.設置矢量網絡分析儀顯示格式為【lmugiaryl.調整刻度(scaleD使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的1/2,使用頻標(【murkerD讀取各頻率上的測量結果；7)采用游標卡尺或千分尺測量被校樣片厚度/、被校樣片距離端口1距離d、測量夾具長度h8)將矢量網絡分析儀測得的S參數(Sn、Sn、S?、Sm)采用公式(5)-(8)進行轉換8S,=SCS=Sea+S=Sne--1—被校樣片厚度，單位米。m:純且至少占滿屏幕的12.使用頻標(【murker】讀取各頻率上的測量結果Vd:6設置矢量網絡分析儀顯示格式為【Phasel.調整刻度([scaleD使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的12,使用頻標(【marker】)讀取各頻率上的測量結果8mg采用千分尺或游標卡尺測量被校樣品的厚度；h)如圖4所示，將被校樣片放入終端短路夾具中并貼緊短路器，連接于矢量網絡分析儀端口1:7設置矢量網絡分析儀顯示格式為【Lincarl.調整刻度(saleD使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的12,使用頻標(【marker】讀取各頻率上的測量結果/門：j設置矢量網絡分析儀顯示格式為【Phase】.調整刻度(scaleD)使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的12,使用頻標([marker】讀取各頻率上的測量結果0:k)采用附錄J中1.2方法計算介電常數實部，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。a)按圖5連接儀器，依照儀器說明書完成預熱；eb)復位矢量網絡分析儀，設置適當的中頻帶寬(通常為100Hz),根據被校樣片的頻率范圍設置矢量網絡分析儀的起始頻率、終止頻率和測量點數：e)如圖5所示，將校準件連接于矢量網絡分析儀與發射天線、接收天線連接的端口1和端口2之間完成全二端口校準：d)將自由空間短路板和自由空間直通標準分別置于自由空間夾具處，完成空間全二端口校準：e)將被校樣片置于自由空間夾具上，;0分別設置矢量網絡分析儀測量參數為【SH1、【Sm1.【S?1.【Sz】.設置矢量網絡分析儀顯示格式為【Reall.調整刻度(caleD使顯示曲線居中且至少占滿屏暮的12.使用頻標(【marker】讀取各頻率上的測量結果g)分別設置矢量網絡分析儀測量參數為【S1、【S1.【S?]、【Sm].設置矢量網絡分析儀顯示格式為【lmaginaryl.調整刻度(scaleD使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的12,使用頻標(【markerD)讀取各頻率上的測量結果；鞭鞭到a2)復位矢量網絡分析儀，設置適當的中頻帶寬(通常為100Hz),4)調節準光腔腔體長度，使用頻標(【markerD追蹤諧振峰，當諧振頻率為目標頻率時，記錄此時準光腔腔體長度為初始腔長：5)選擇網絡分析儀【bandwidm】,設置【Level】為3dB,得到空腔狀態的頻半后和品質因數Q6)將被校樣片放于平面鏡中心位置處：刀調短準光腔腔體長度，使頻率石處重新恢復諧振，獲取準光腔腔體長度改變量p記錄在相應的表格A4內：8)采用附錄J中J42.1方法計算介電常數實部，并將結果記錄在相應的表格A4內b)變頻率法1)校準步驟同6.2.2.5a)中1)-6):2)根據介電常數實部初值和樣片厚度預估有載諾報級豐，在低于空腔諾振須率的頻段尋找有載語振頻率，記錄在相應的表格A5內：3)采用附錄J中J4.2.2方法計算介電常數實部，并將結果記錄在相應的表格A.S內6.2.3電損耗角正切6.23.1平板電容法a)校準步驟同622.1a)-e)b)設置限抗分析儀顯示格式為【tan&】,調整刻度([scale】)使顯示曲線居中且至少占滿屏幕的1/2:e)使用頻標([markerD讀取各頻率上的電損耗角正切測量結果，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。6232同軸波導傳輸反射法1)校準步驟同6.2.2.2a)中1)-8):2)采用附錄J中11方法計算電損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。b)非嵌入式1)校準步驟同6.2.2.2b)中1)-8):2)采用附錄J中11方法計算電損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。a)校準步驟同6.223中a)-j):b)采用附錄J中12方法計算電損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A.3相應的表格內。a)校準步驟同6.2.2.4中a)-i):b)采用附錄J中J3方法計算電損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A.3相應的表格內。a)變腔長法1)校準步驟同6.2.2.5a)中1)-7):2)選擇網絡分析儀【bandwidth]。設置【Level】為-3dB,得到加載后的品質因數Q.記錄在相應的表格A4內：3)采用附錄J中J.4.2.1方法計算電損耗角正切，并將結果記錄在相應的表格A4內。b)變頻率法1)校準步驟同62.2.5b)中1)-2):2)選擇網絡分析儀【bandwidth】,設置【Level】為-3dB,得到加載被校后的品質因數Q,記錄在相應的表格A.5內：3)采用附錄J中J4.2.2方法計算電損耗角正切，并將結果記錄在相應的表格A.5內。6.2.4磁導率實部a)嵌入式1)校準步驟同6.2.2.2a)中1)-8):2)采用附錄J中J.1方法計算磁導率實部，并將結果記錄在附錄表A.3相應的表格b)非嵌入式1)校準步驟同6.2.2.2b)中1)-8);2)采用附錄J中J.1方法計算磁導率實部，并將結果記錄在附錄表A.3相應的表格a)校準步驟同6.2.2.4中a)-i):b)采用附錄J中J3方法計算磁導率實部，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格6.2.5磁損耗角正切6.2.5.1同軸波導傳輸法1)校準步驟同6.2.2.2a)中1)-8):2)采用附錄J中11方法計算磁損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。b)非嵌入式D)校準步驟同622.2b)中1)-8):2)采用附錄J中11方法計算礎損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A3相應的表a)校準步驟同62.2.4中a)-1);b)采用附錄J中13方法計算礎損耗角正切，并將結果記錄在附錄表A3相應的表格內。7校準結果的處理校準結束后應出具校準證書。校準證書應準確、客觀地報告校準結果。校準結果以校準數據、校準曲線等形式給出。校準證書應包括委托方要求的、說明校準結果所必需的和所用方法要求的全部信息。8復校時間間隔微波頻段介質材料標準樣片的復校時間間隔一毀不超過12個月。由于復校時間間隔的長短是由樣片的使用情況、使用者、樣片本身質量等諸因素所決定的，因此送校單位可根據實際使用情況自主決定復校時間間隔，調整后應及時校準。原始記錄格式123S電損耗角正切校準方法選擇建議本規范針對不同的校準項目共涉及了五種校準方法。分別為平板電容法、傳輸/反射法、波導終端短路法、自由空間法和準光腔法。這些校準方法面對的材料類型、頻豐范圍、校準項目、測量準確度等各不相同，根據目前實驗室常用的微波介質復介電常數和復磁導率的頻率范圍、性能指標，給出如下校準方法選擇建議，見表B.1。校準項目電損耗角1√√ 一2√√√√√√√3√一4√√5√一一HE(軍工)170-2018平板電容法介電常數實部不確定度評定示例本規范以阻抗材料分析儀和平板電容夾具測量聚四氟乙烯樣片(介電常數實部標稱值為2.08)為例，評定介電常數實部c的測量結果不確定度：C.1數學模型平板電容法測量介電常數實部亡時，將被校樣片接入平板電容夫具兩極板之間，記錄阻抗/材料分析儀的介電常數讀數6,被校樣片介電常數實部6為：c=6e'——被校樣片的介電常數實部；_阻抗/材料分析儀測得的被校樣片介電常數。介電常數實部測量結果的不確定度來源主要有：上級量傳的阻抗材料分析儀測量介電常數實部的不確定度分量和測量重復性引入的不確定度分量。平板電容法測量介電常數實部的數學模型如式(C.2)所示。'=6+AG,Ac,——測量重復性的影響。C.2標準不確定度評定a)上級量傳的阻抗材料分析儀測量介電常數實部的標準不確定度分量阻抗材料分析儀測量介電常數實部的擴展不確定度為5%4-2),由此引入的標準不確定度分量按B類方法評定b)測量重復性y:獨立重復測量10次，測量重復性引入的不確定度分量按照A類方法進行評定。由此求出重復性引入的標準不確定度分量?=0.89%C.3合成標準不確定度以上各不確定度分量相互獨立，互不相關。則C.4擴展不確定度取包含因子k=2,則擴展不確定度為UF(軍工)170-2018波導傳輸反射法介電常數實部不確定度評定示例D.1數學模型S:=S,expJ·2m/-2d/c)=s|-expU(+2-2dS=SaexpJ-2m-(-1)/e)=|Sexp((a+2--(d—被校樣片距端口1的距離，單位米，m:度分量。介電常致可以表示為&—被校樣片與校準位置不一致對測量結果的影響：?—測量重復性的影響。測量過程中頻率準確度為±4,則△=2m/。假定為均勻分布，則e)測量重復性u,獨立重復測量10次，測量重復性引入的不確定度分量按照A類方法進行評定。由此求出重復性引入的不確定度分量。D.3合成標準不確定度以上各不確定度分量相互融立，互不相關。則其中a,=a,(c)-m,(c)D.4擴展不確定度取包含因子k-2,則介電常數實部的擴展不確定度為以3cm波導傳輸反射法測量系統為例，采用嵌入式法(即測量夾具/-0mm)測量聚四氟乙烯介質樣片(標稱值為2.08),按上述方法評定介電常數實部測量結果的擴展不確定度為2.3%(K=2)。蒙特卡洛不確定度評定方法也適用于波導傳輸反射法介電常數實部的測量不確定度評定。波導傳輸反射法電損耗角正切不確定度評定示例c=a2-js°HE(軍工)170-2018準光腔變腔長法介電常數實部不確定度評定示例—R√。取包含因子=2.則介電常數實部的擴展不確定度為準光腔變腔長法電損耗角正切不確定度評定示例2)被校樣片厚度測量不準引入的不確定度分量：3)腔長改變量測量不準引入的不確定度分量：6)介電常數測量不確定度引入的不確定度分量；d)球面鏡曲率半徑確定不準引入的不確e)網絡分析儀測頻不準引入的不確定度分量?以Ka波段準光腔系統為例，采用變腔波導傳輸反射法磁導率實部不確定度評定示例采用嵌入式波導傳輸反射法測量磁性樣片的磁導率實部。分析磁導率實部測S,=S-expJ·2m-(-)