微波介質(zhì)陶瓷介電性能測試方法 開腔法、閉腔法 征求意見稿

GB/TXXXXX—XXXX12規(guī)范性引用文件介質(zhì)損耗因數(shù)（頻率0.1Hz~10MHz）微波介質(zhì)陶瓷microwavedielect絕對介電常數(shù)absoluteperεGB/TXXXXX—XXXX2εr相對復(fù)介電常數(shù)relativecomplextanδ品質(zhì)因數(shù)Q（tanδ的倒數(shù)）與頻率f的乘積，單位為GHz。諧振頻率溫度系數(shù)temperaturecoefficientofresonantfrequencyτf4測試原理直徑D、高度H的正圓柱體微波介質(zhì)陶瓷樣品，被夾持于兩塊圓形平行金屬短路板之間，即無載品質(zhì)因數(shù)Qu、諧振頻率溫度系數(shù)τf,r與樣品的相對介電常數(shù)εr、損耗角正切直徑D、高度H的正圓柱體微波介質(zhì)陶瓷樣品，放置于封諧振現(xiàn)象，TE011模式同樣最適合用于低損耗材料微波介電性能的測試。閉腔法中的TE011模式也稱作TE01δ模式。與開腔法相比，閉腔法中樣品遠(yuǎn)離金屬壁、導(dǎo)體損耗更低，同時(shí)能完全消除輻射損耗的影響，因此具有更高的損耗角正切值測試精度。閉腔、支撐物及樣品尺寸確定時(shí)，閉腔介質(zhì)模式的f0、Qu、τf,r與樣品的εr、tanδ及τf間存在對應(yīng)關(guān)系，故通過測試閉腔介質(zhì)諧振器的f0、即可計(jì)算得到樣品的εr、tanδ、τf。閉腔法不存在解析解，需通過有限單元法等數(shù)值方法求解。GB/TXXXXX—XXXX35.1測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)如圖1所示，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、傳輸線、耦合裝置及測試腔（開腔或閉腔）構(gòu)成。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量開腔或閉腔介質(zhì)諧振器的諧振頻率波，耦合裝置用于電磁場耦合、激勵(lì)諧振，測試腔與樣5.2矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試頻率范圍應(yīng)覆蓋測試時(shí)TE011模式的諧振頻率，動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)>60dB。5.3傳輸線及耦合裝置垂直，由測試腔兩側(cè)沿徑向放入測試腔內(nèi)，且耦合環(huán)深入至測試腔內(nèi)5.4測試環(huán)境條件5.4.1正常的測試環(huán)境條件溫度：20~30°CGB/TXXXXX—XXXX45.4.2仲裁測試的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件溫度：24~26°C5.5.1開腔銅，表面鍍銀，鍍層厚度>5μm。對緊貼樣品兩端的面，要求板面平整，表面粗糙度Ra銅，表面鍍銀，鍍層厚度>5μm，內(nèi)壁表面粗糙度Ra<0.2μC可根據(jù)需要測試的頻率范圍改變，一般推薦DC=10~50mm，DC=10.2HC≤HS≤0.3HC。閉腔兩側(cè)開孔，插入耦合GB/TXXXXX—XXXX55.6高低溫試驗(yàn)箱高低溫試驗(yàn)箱用于τf的測試，溫度范圍應(yīng)覆蓋測試所需的溫度區(qū)間，樣品尺寸根據(jù)樣品的εr和測試頻率f0確定。一般原則是：D≤0.2DO，1.9H≤D≤2.3H。對測試頻率f0無特別要求時(shí)，推薦D=9.5~10.5mm，H=4.75~5.25mm。圖4為開腔法測試中樣品D=10mm、H=5mm時(shí)f0隨樣品εr的變化。0.25HC≤H≤0.6HC；5≤εr<10時(shí)，0.3DC≤D≤0.6DC0.4HC≤H≤0.6HC。對測試頻率f0無特別要求時(shí)，推薦D=0.4~0.5DC，H=0.4~0.5HC。圖4為典型閉腔GB/TXXXXX—XXXX67.1測試前矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀需開機(jī)預(yù)熱30分鐘以上，使之進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)不低于電常數(shù)，估算采用相應(yīng)測試腔時(shí)TE011模式的諧振頻率，并7.5記錄f0，并根據(jù)f0及樣品尺寸計(jì)算εr。7.6記錄Δf及S21,f0，由公式(1)得到有載品質(zhì)因數(shù)QL，由公式(2)得到無載品質(zhì)因數(shù)Qu。7.7根據(jù)測得的Qu，可由公式(3)得到樣品的介電損耗tanδ。Qc——金屬壁的品質(zhì)因數(shù)。并由公式(4)求得τf,r。τf,r=peτf+(pe?1)αL…GB/TXXXXX—XXXX7τf=τf,r (6)其它情況下，應(yīng)根據(jù)公式(5)，由τf,r計(jì)算τf。τf,r=peτf+(CL+pe)αL+pe,Sτf,S+(CL,S+pe,S)αL,S+CL,CαL,C Pe,S——支撐物的電能填充因子；CL,S——與支撐物熱膨脹相關(guān)的敏感系數(shù)；CL,C——與測試腔熱膨脹相關(guān)的敏感系數(shù)；8.1.1諧振頻率或相對介電常數(shù)的計(jì)算樣品尺寸確定時(shí)，開腔法TE011模式的諧振頻率f0與樣品的相對介電常數(shù)εr存在對應(yīng)關(guān)系，由公式c0——真空光速，2.997925×108m/Ji——第i階第一類貝塞爾函數(shù)；聯(lián)解公式(8)-(10)，即可由f0計(jì)算出εr，或由εr計(jì)算出f0。GB/TXXXXX—XXXX8Rs——金屬壁的表面電阻，單位為Ω;f0,2及無載品質(zhì)因數(shù)Qu,1、Qu,2。兩種情況下f0,1=f0,2，TE011模式閉腔介質(zhì)諧振器具有軸對稱的幾何及電磁場結(jié)構(gòu)，可分析半橫截面內(nèi)的電場分布進(jìn)行求包含一種介質(zhì)。根據(jù)公式(17)得到每個(gè)單程[K?][E?]=[0]………[K*]——整體矩陣，由所有單元中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、相對GB/TXXXXX—XXXX98.2.2相對介電常數(shù)的計(jì)算當(dāng)TE011模式的諧振頻率f0已知時(shí)，可利用迭代法求解樣品的相對介電常數(shù)εr。先估計(jì)樣品的相對介電常數(shù)為εr,e，通過8.2.1中描述的過程計(jì)算出TE011模式諧振頻率為f0,e。根據(jù)f0,e與f0的差值，調(diào)整用于下一步計(jì)算的相對介電常數(shù)。重復(fù)以上過程，直至算得的諧振頻率與f0的差別<0.01%，即求解出樣品的相對介電常數(shù)εr。A——三角形單元的面積，單位為m2。δ——趨膚深度，單位為m；閉腔內(nèi)放置直徑D、高度H的樣品時(shí)，TE011模式下的諧振頻率為f0。假設(shè)樣品的直徑、高度發(fā)生微小變化，分別變?yōu)?1+δ’)D、(1+δ’)H，10-7<δ’<10-3，計(jì)算得到的諧振頻率為f0(δ9測試誤差GB/TXXXXX—XXXXr-6/°Cr-6/°C而在測試τf時(shí)，開腔法的計(jì)算過程比閉腔法簡單很多，且在τf較小時(shí)可直接將τf,r當(dāng)作τf、免去中間的GB/TXXXXX—XXXXf0(GHz)εrtanδQf(GHz)GB/TXXXXX—XXXXTf0(T1)(GHz)Tf0(T2)(GHz)τf,r(10-6/°C)τf(10-6/°C)GB/TXXXXX—XXXX[1]HakkiB.W.,ColemanP.D.,ADielectricResonatorMethodofMeasurin[2]KajfezD.,IncrementalFrequencyRuleforComputinResonator,IEEETrans.MicrowaveTheo[3]KooiP.S.,LeongM.S.,PrakashA.L.S.,Finite-ElementAnalysisoftheShieldedCylindricalDiResonator,IEEProc.HMicrowaveOptAntennas.,132[4]D.Kajfez,TemperatureCharacterizationofDielectric-ResonatorMaterials,J.Eur.Ceram.So2663–2667,2001.[5]LiL.,ZhuJ.Y.,ChenX.M.,MeasurementErrorofTemperatuMicrowaveDielectricMaterialsbyTE01δ-ModeResonantCavityMethod,IEEETrans.Micr