一种精确测量介电常数的测试系统及方法
【专利摘要】一种精确测量介电常数的测试系统，包括天线部分、射频电路部分以及数据处理显示部分；天线部分包括测试天线和散射样本；射频电路部分包括射频信号源和射频电路，其中射频电路由定向耦合器、低噪声放大器、功分器、混频器以及低通滤波器组成；数据处理显示部分由放大电路与ARM开发板组成；利用天线输入阻抗的变化和辐射场准确测量出样本的电磁参数。本发明具有能够精确测量低介电常数材料和高介电常数材料，误差小；测试系统简单，便于集成；散射体样本形状简单易于加工，可以对散射体样本进行扫频测试的特点。
【专利说明】一种精确测量介电常数的测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微博测量领域，具体涉及一种利用天线输入阻抗的变化和辐射场准确测量出样本的电磁参数(介电常数和损耗)的方法。
【背景技术】
[0002]随着微波技术的发展，航空航天、军事民用、数字通信、科学研究等领域对微波元器件的需求越来越多，使得微波材料、微波介质基板和元器件也不断地被开发，这些材料已经产生了越来越重要的作用。微波材料现在已经用于各种微波产品中，随着人们研究微波的频段越来越高，随之的微波器件也越做越小，新材料的不断发明和出现，工艺要求的数据也越来越精确，使得人们不得不研究出更先进的方法，制造出更加精密的仪器去测量微波材料和器件的参数。而介电常数和损耗是微波工艺中必不可少的参数，准确测量电介质材料的介电常数和损耗对将来的研究和应用有着深远的意义，也早已成为国内外人们研究的课题，并逐渐形成成熟的理论和测试方法。
[0003]低介电常数材料在半导体集成电路中应用非常广泛，已经是研究的热门课题，如今所知的最低介电常数材料是基于气凝胶的低介电常数材料，其相对介电常数只有1.3(空气约为I);而高介电常数材料(相对介电常数大于10)主要应用于微波频段的设备生产研究中，高介电常数微波介质陶瓷就是其中的典型代表，它可以用于微波低频段通信系统中的介质谐振器和介质滤波器。在微波设备和微波电路中，特别是在微波集成电路中，大量地使用着各种介质材料，具体来说，在考虑到高频电路板选材时，在设计微带电路、微带天线时，都必须知道介质材料的精确介电性能参数，否则会造成各种设计工作的无法进行，对各部件功能造成不可预测的影响，因此，测量介质材料的介电性能参数对研究人员和设计人员具有很重要的意义。
[0004]随着微波材料越做越好，像气凝胶的低介电常数材料和微波高介电常数陶瓷材料的出现，各种新兴的材料也不断涌现，所以介电常数越来越重要，是微波电路和材料中必不可少的参数，国内外已经涌现出很多种测量介电常数的理论和方法，最早在1929年就有测量介电常数的概念了，纵观这些方法，总的可以分为非谐振法和谐振法，他们都是测量介电常数非常有效的方法。但随着技术水平和设备越来越先进，测量的精度也越来越高。
[0005]下面介绍几类常用的介电常数的测量方法:
一、非谐振法
把一个待测样品放在一部分传输线、波导或者平面结构中，比如微带线或条状线，就可以测得的散射参数，再通过散射方程计算出介电常数。非谐振法主要包括反射法和传输/反射法。
[0006]1、反射法:
(1)、波导法:将一小片散射样本填充在波导传输线中，从两端的介质反射系数中可以通过公式计算出介电常数；
(2)、同轴线法:把样品填充到同轴线中，然后根据反射系数的变化得出结果； (3)、自由空间法:一频率固定线极化平面均匀波入射到自由空间中厚度为d的平面样本上，可测出传输系数和反射系数，再通过公式推导计算。
[0007]2、传输/反射法:
(1)、圆波导法:把一段和圆波导同轴的样本放入波导中，TE模波传输后相位变化等求
出；
(2)、同轴线间断法:同轴线去掉一段把散射样本嵌入到之中去，样本收到入射电磁场的照射，从散射方程中分析样本表面电场，写出入射场的空间分布，通过计算得出介电常数的值。
[0008]使用非谐振法可以很成功地测量高介电常数和损耗的材料，但是需要一个较大的样本，而且对于低损耗材料测量的精确度比较低。
[0009]二、谐振法
谐振法主要是把散射样本放入在一个微波谐振器中，通过谐振器的内部参数的变化(如谐振频率和品质因数)，再求得样本的介电常数。谐振法主要分为谐振腔法和谐振微扰法。
[0010]1、谐振腔法:
(1)金属罩谐振器法:同轴柱形样本放在柱形金属罩内，和金属圆柱体有同样的高度，从混合模的特征方程中解出谐振频率，然后再得出结果；
(2)夹层法:将散射样本夹在两块高温金属薄片之间，且之间没有缝隙，得出他们的谐振特性，再计算出介电常数；
(3 )回音壁谐振法:回音壁谐振法是测量低耗材料介电常数最精确的方法之一，它的辐射损耗很小，从谐振频率和边界条件中得出介电常数的值。
[0011]谐振法因为其高精度与灵活性被广泛应用，适合低损耗的介质和材料，但是其样本加工和模型制作比较繁琐，无法胜任对高介电常数的测量。
[0012]2、谐振微扰法:
在加入散射样本之后，谐振频率和品质因数Q值都有微小的变化，再根据微扰方程计算出介电常数的值。谐振微扰法不需要一个确定特性的散射样本，形状可以任意，尺寸可以小，测试频率决定于腔体内的谐振频率(可以被设定)，有时用个活塞，墙体内总能量增加而引起的一些不确定因素也可以被解决。
[0013]根据上述几种常用的介电常数的测量方法来看，现有的方法一般只能准确测量地介电常数或者高介电常数，还不能实现同时精准测量，并且有些方法的测试系统或者是样本的制作还比较繁琐，加工成本高，难于制作。
[0014]因此，如何同时精确测量低介电常数与高介电常数，并且制作低成本的测试系统或者样本是本领域研究人员所需要解决的问题。
【发明内容】
[0015]为了解决上述问题，本发明提供一种精确测量介电常数的测试系统及方法，利用静态场方法，加入样本后天线福射的电场E’可以从无样本时的电场E推导出来,根据哈林顿的腔体微扰理论，E’和E在样本不同形状下存在不同的关系，这样便能准确测量低介电常数以及高介电常数的材料，并且本发明中采用的测试样本都是简单的、易于加工的形状，所需天线也是比较简单的微带贴片天线。
[0016]为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
一种精确测量介电常数的测试系统，包括天线部分、射频电路部分以及数据处理显示部分；所述天线部分包括测试天线和散射样本；所述射频电路部分包括射频信号源和射频电路，其中射频电路由定向耦合器、低噪声放大器、功分器、混频器以及低通滤波器组成；所述数据处理显示部分由放大电路与ARM开发板组成。
[0017]天线部分由测试天线与散射体样本组成，测试天线发射电磁波照射散射体样本，对散射体样本进行测试，同时，测试天线端口的输入阻抗会发生变化；射频电路部分由射频信号源和射频电路组成，主要作用是通过定向耦合器分离测试天线端口的入射波和反射波，将反射波进行放大、混频、滤波处理，将高频入射信号和反射信号转化成低频可处理的信号，分离成幅度相关信号与相位相关信号供数据处理；数据处理显示部分由放大电路、ARM开发板组成，放大电路的作用是放大射频电路部分输出的信号，以供处理；ARM开发板的作用是将得到的信号进行处理，按照本发明提供的新算法算出测试天线的输入阻抗，进而计算出此时散射体样本的相对介电常数和损耗角正切,并实时显示。
[0018]进一步地，测量的具体步骤为:
(1)给测试天线施加一个激励，产生辐射场，同时测试天线在端口处具有输入阻抗；随后放入散射样本，测试天线产生新的辐射场，同时在端口处具有新的输入阻抗，通过辐射场与输入阻抗的变化求出散射样本的介电常数和损耗，公式如下:
【权利要求】
1.一种精确测量介电常数的测试系统，其特征在于:包括天线部分、射频电路部分以及数据处理显示部分；所述天线部分包括测试天线和散射样本；所述射频电路部分包括射频信号源和射频电路，其中射频电路由定向耦合器、低噪声放大器、功分器、混频器以及低通滤波器组成；所述数据处理显示部分由放大电路与ARM开发板组成。
2.根据权利要求1所述的一种精确测量介电常数的测试系统，其特征在于: 测量的具体步骤为: (1)给测试天线施加一个激励，产生辐射场，同时测试天线在端口处具有输入阻抗；随后放入散射样本，测试天线产生新的辐射场，同时在端口处具有新的输入阻抗，通过辐射场与输入阻抗的变化求出散射样本的介电常数和损耗，公式如下:
3.根据权利要求2所述的一种精确测量介电常数的测试系统，其特征在于:所述步骤(6)中: 当所测散射体样本介电常数比较低时(介电常数〈10)，E^E ,采用微扰法:
4.根据权利要求1所述的一种精确测量介电常数的测试系统，其特征在于:所述射频电路部分输出幅度相关信号以及相位相关信号；所述ARM开发板包括模数转换器、数据处理模块、场文件储存模块以及数据显示模块。
【文档编号】G01R27/26GK103913640SQ201410049841
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2014年2月12日
【发明者】文舸一, 蒋佳佳, 王峰 申请人:南京信息工程大学