DKDF測(cè)試儀器及方法

1、Innovation, Teamwork, Excellence, QualityDK/Df測(cè)試設(shè)備及方法介紹測(cè)試設(shè)備及方法介紹Innovation, Teamwork, Excellence, Quality1.1. DK/DfDK/Df定義及機(jī)理定義及機(jī)理2.2. 測(cè)試方法測(cè)試方法3.3. 測(cè)試頻率測(cè)試頻率4.4. 測(cè)試原理測(cè)試原理5.5. 測(cè)試儀器設(shè)備測(cè)試儀器設(shè)備6.6. 測(cè)試方法步驟測(cè)試方法步驟 內(nèi)容內(nèi)容Innovation, Teamwork, Excellence, Quality 介電常數(shù)定義介電常數(shù)定義 介電常數(shù) 又稱電容率或相對(duì)電容率，表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)

2、，常用表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)能力。相對(duì)介電常數(shù)愈小絕緣性愈好。 材料如果在受到外部電場(chǎng)作用時(shí)能夠儲(chǔ)存電能，就稱為“電介質(zhì)”。當(dāng)給平行板電容器施加直流電壓時(shí)，如果兩板之間存在介電材料，那么可以儲(chǔ)存比沒有介電材料 ( 真空 ) 時(shí)更多的電荷。介電材料可以中和電極上的電荷，使電容器儲(chǔ)存更多電荷，而通常情況下，這些電荷將流向外部電場(chǎng)。介電材料的電容與介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)在平行板電容器上并聯(lián)直流電壓源 v 時(shí) ( 圖 1)，兩板之間有介電材料的配置可以比沒有介電材料 ( 真空 ) 的配置儲(chǔ)存更多的電荷。Innovation, Te

3、amwork, Excellence, Quality 介介質(zhì)損耗質(zhì)損耗定義定義DF: Dissipation Factor 損耗因子, 在資訊及通信業(yè)最簡(jiǎn)單的定義就是“訊號(hào)線中已漏失（Loss）到絕緣板材中的能量與尚存在（Stored）線中能量之比值”。Df 是絕緣材料的一種固有的性質(zhì),“損耗因子”與電功損失成正比，與週期頻率（f）、電位梯度的平方（E2），及單位體積成反比，其數(shù)學(xué)關(guān)係為 :Innovation, Teamwork, Excellence, Quality介電機(jī)理介電機(jī)理 材料自身的多種介電機(jī)理或極化效應(yīng) ( 圖 7)。介電材料中包含有序排列的電荷載流子，這些載流子如果受到電

4、場(chǎng)作用，將會(huì)發(fā)生位移。極化導(dǎo)致電荷對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，正電荷和負(fù)電荷會(huì)朝相反方向移動(dòng)。 從微觀角度上看，有多種介電機(jī)理會(huì)對(duì)介電特性產(chǎn)生影響。偶極子取向和離子傳導(dǎo)在微波頻率上會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。例如，水分子是永久性偶極子，在交替電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這些機(jī)理具有非常大的損耗 這可以解釋為什么微波爐能夠加熱食物。原子和電子機(jī)理相對(duì)較弱，在微波范圍內(nèi)通常是恒定不變的。每個(gè)介電機(jī)理都具有特征的“截止頻率”。隨著頻率的增加，較慢的機(jī)理會(huì)依次退出，只剩下較快的機(jī)理，用 表示。損耗因子 ( r) 將會(huì)在每個(gè)臨界頻率上達(dá)到相應(yīng)的峰值。對(duì)于不同的材料，每個(gè)機(jī)理的幅度和“截止頻率”都是獨(dú)一無二的。水在低頻范圍內(nèi)具

5、有非常強(qiáng)的偶極子效應(yīng)，但是其介電常數(shù)在 22 GHz 附近會(huì)明顯下降。另一方面，PTFE 沒有偶極子機(jī)理，其介電常數(shù)在毫米波范圍內(nèi)也是非常恒定的。 Innovation, Teamwork, Excellence, Quality各種測(cè)量方法的比較各種測(cè)量方法的比較 在選擇最適合的測(cè)量方法時(shí)，必須考慮到多個(gè)重要因素，例如精度、方便性，以及材料的外形和形態(tài)。下面總結(jié)了部分需要考慮的重要因素 : 頻率范圍 er 和 r 預(yù)期值 要求的測(cè)量精度 材料屬性 ( 例如均質(zhì)、各向同性 ) 材料形態(tài) ( 例如液體、粉末、固體、薄片 ) 樣品大小限制 對(duì)材料的破壞和非破壞性 接觸或非接觸 溫度 成本Innov

6、ation, Teamwork, Excellence, Quality測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng) 阻抗分析儀和阻抗分析儀和 LCR 表表 使用阻抗分析儀和 LCR 表 ( 例如圖 12 中列出的儀器 ) 可以測(cè)量材料在低頻范圍內(nèi)的特性。使用交流電源為材料提供激勵(lì)信號(hào)，并監(jiān)測(cè)材料上的實(shí)際電壓。通過測(cè)量材料的尺寸及其電容和耗散因子，可以推導(dǎo)出材料的測(cè)試參數(shù)。夾具夾具 在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀、阻抗分析儀或 LCR 表測(cè)量材料的介電特性之前，需要使用測(cè)量夾具 ( 或樣品夾持器 )，一方面以可預(yù)測(cè)的方式對(duì)材料施加電磁場(chǎng)，另一方面使材料可以連接到測(cè)量?jī)x器。夾具的類型根據(jù)選用的測(cè)量技術(shù)以及材料的物理特性 ( 固體、液體、

7、粉末、氣體 ) 而定。軟件軟件 儀器得到的測(cè)量數(shù)據(jù)不一定是直接可用的。在這種情況下，需要使用軟件將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為介電常數(shù)或?qū)Т怕?。另外，軟件還可以對(duì)夾具和 MUT之間的相互作用進(jìn)行建模，從而提取出大部分材料特性。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀 通過測(cè)量已知物理尺寸的材料的反射和 入射 或傳輸性能，可以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)它們可以表征材料的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率。PNA 系列、ENA 系列和 FieldFox 等矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可在 9 kHz 至 1.1 THz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描高頻激勵(lì)響應(yīng)測(cè)量。( 圖 12

8、)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由信號(hào)源、接收機(jī)和顯示器組成 ( 圖11)。信號(hào)源向被測(cè)材料發(fā)送一個(gè)單一頻率信號(hào)。接收機(jī)調(diào)諧到該頻率并檢測(cè)材料所反射和傳輸?shù)男盘?hào)。根據(jù)測(cè)得的響應(yīng)可得出該頻率上的幅度和相位數(shù)據(jù)。信號(hào)源隨后步進(jìn)到下一個(gè)頻率，重復(fù)上述測(cè)量，得到隨頻率變化的反射和傳輸測(cè)量響應(yīng)。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality諧振腔法諧振腔法 ( 窄帶測(cè)量窄帶測(cè)量 ) 與與寬帶測(cè)量寬帶測(cè)量方法方法 ( 例如例如 , 傳輸線法傳輸線法 , 平行平行板電容法等板電容法等 ) 的比較的比較 諧振法 高阻抗環(huán)境 可以測(cè)量小尺寸樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量 只能在一個(gè)或幾個(gè)頻率上進(jìn)行測(cè)量

9、 非常適合測(cè)量低損耗材料其它寬帶測(cè)量法 低阻抗環(huán)境 需要較大的樣品才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量 可在“任意”頻率上進(jìn)行測(cè)量Innovation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法測(cè)試原理平行板法在 ASTM 標(biāo)準(zhǔn) D15012 中又稱為三端子法，其原理是通過在兩個(gè)電極之間插入一個(gè)材料或液體薄片組成電容器，然后測(cè)量其電容，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)。在實(shí)際測(cè)試裝置中，測(cè)量夾具均配有兩個(gè)電極，用來加持介電材料。阻抗測(cè)量?jī)x器測(cè)量電容 (C) 和耗散 (D) 的矢量分量，然后通過軟件程序計(jì)算介電常數(shù)和損耗正切。該方法最適合對(duì)薄膜或液體進(jìn)行精確的低頻測(cè)量。采用平行板法的典型

10、測(cè)量系統(tǒng)主要由阻抗分析儀或 LCR 表，以及工作頻率至 1 GHz 的夾具 ( 例如 16451B 和 16453A 電介質(zhì)測(cè)試夾具 ) 組成。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法測(cè)試儀器設(shè)備測(cè)試儀器名稱：DK/Df分析儀(E4991A)測(cè)試頻率：1M1.5GHZInnovation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法測(cè)試方法步驟1.樣品：大小50*50inch，每組樣品3個(gè)，樣品厚度一般1.0mm。2.樣品預(yù)處理?xiàng)l件：105烘烤2h+120烘烤1h,放入防潮柜 (箱)內(nèi)冷卻20min。In

11、novation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法3.測(cè)試方法步驟：按如下儀器操作步驟最後算出DK/Df值來Innovation, Teamwork, Excellence, Quality諧振腔法諧振腔法測(cè)試原理諧振腔體有比較高的 Q 值，可在特定頻率上發(fā)生諧振。將一片材料樣品插入到腔體中，會(huì)改變腔體的諧振頻率 (f) 和品質(zhì)因數(shù) (Q)。根據(jù)這些測(cè)得的參數(shù)，可以計(jì)算出材料在某一頻率上的復(fù)數(shù)介電常數(shù)。典型的測(cè)量系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、諧振腔體夾具以及計(jì)算軟件組成。 諧振腔法也有許多不同的子方法和夾具類型 : Agilent 85071E 選件 200 諧

12、振腔體軟件支持三種子方法 : 分裂圓柱法 (Split Cylinder)、分離介質(zhì)諧振器 (SplitPost Dielectric Resonator) 法和 ASTM D252010 腔體微擾 (Cavity Perturbation) 法?？墒褂猛獠坑?jì)算機(jī)來控制網(wǎng)絡(luò)分析儀，兩者通過 LAN、USB 或 GP-IB 接口進(jìn)行連接。對(duì)于 PNA 系列和 ENA 系列網(wǎng)絡(luò)分析儀，軟件可直接安裝到分析儀中，無需使用外部計(jì)算機(jī)。安捷倫還為分裂圓柱柱法 和分離介質(zhì)諧振器法 提供了高 Q 值諧振腔體夾具。圖23.24.25分別為這三種諧振腔結(jié)構(gòu)。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality諧振腔三種方法諧振腔三種方法Innovation, Teamwork, Excellence, Quality測(cè)試儀器設(shè)備測(cè)試儀器名稱：網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA系列）測(cè)試頻率：1 30GHZ諧振腔法諧振腔法Innovation, Teamwork,