網(wǎng)絡(luò)分析儀在材料測(cè)試中的應(yīng)用

自然界中大多數(shù)物質(zhì)在微波波段都呈現(xiàn)為有損耗的絕緣體，稱之為電介質(zhì)，簡(jiǎn)稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下都會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下其內(nèi)部的正負(fù)電荷向著相反方向發(fā)生微小位移，從而產(chǎn)生許多電偶極矩。介質(zhì)極化后在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)極化電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的方向與外加電磁場(chǎng)的方向相反，大小與介質(zhì)的極化程度、物質(zhì)成分和物理狀態(tài)，外界溫度頻率等有關(guān)。介質(zhì)的介電常數(shù)定義為電通量D與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的比值，是一個(gè)用來(lái)衡量介質(zhì)中的電荷在外加電磁場(chǎng)作用下發(fā)生極化后的分布情況的一個(gè)常量。

一、介電常數(shù)介紹

自然界中大多數(shù)物質(zhì)在微波波段都呈現(xiàn)為有損耗的絕緣體，稱之為電介質(zhì)，簡(jiǎn)稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下都會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下其內(nèi)部的正負(fù)電荷向著相反方向發(fā)生微小位移，從而產(chǎn)生許多電偶極矩。介質(zhì)極化后在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)極化電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的方向與外加電磁場(chǎng)的方向相反，大小與介質(zhì)的極化程度、物質(zhì)成分和物理狀態(tài)，外界溫度頻率等有關(guān)。介質(zhì)的介電常數(shù)定義為電通量D與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的比值，是一個(gè)用來(lái)衡量介質(zhì)中的電荷在外加電磁場(chǎng)作用下發(fā)生極化后的分布情況的一個(gè)常量。

● 物質(zhì)在靜電場(chǎng)中（無(wú)電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一個(gè)標(biāo)量，實(shí)數(shù)

● 物質(zhì)在交變電場(chǎng)中（有電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，如下式：                

介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗（通常以熱能形式損耗），實(shí)部反映波傳播時(shí)狀態(tài)的改變，如相位，相速，波阻抗等的改變。

常見(jiàn)的描述介電常數(shù)特性的還有一個(gè)參數(shù)，叫損耗角正切。當(dāng)我們?cè)谑噶繄D中描述復(fù)介電常數(shù)時(shí)，其實(shí)部和虛部呈90°正交關(guān)系，二者的矢量和與實(shí)軸形成一個(gè)夾角，我們把這個(gè)夾角δ稱為損耗角，這個(gè)角的正切值稱為損耗角正切，它等于介電常數(shù)定義中虛部和實(shí)部的比值。損耗角正切還有一個(gè)常用的名稱——損耗因數(shù)（Df），它等于品質(zhì)因數(shù)的相反數(shù)。其物理含義是在一個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損失的能量和貯存能量的比值。  

介電常數(shù)是一個(gè)由本身性質(zhì)和外界環(huán)境共同決定的反映介質(zhì)電特性的物理量。宏觀上反映介質(zhì)對(duì)電磁波輻射，散射，反射，吸收，傳輸?shù)忍匦?，微觀上反映物質(zhì)內(nèi)部化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)。通過(guò)它將介質(zhì)極化的宏觀現(xiàn)象和介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。

介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì)，對(duì)介電常數(shù)的研究有重要的理論和應(yīng)用意義。今時(shí)今日，電氣工程中的電介質(zhì)問(wèn)題、電磁兼容問(wèn)題、生物醫(yī)學(xué)、微波、電子技術(shù)、食品加工和地質(zhì)勘探中，無(wú)一不利用到物質(zhì)的介電特性，比如在日趨復(fù)雜的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，大量的新材料被廣泛的應(yīng)用到各種電子系統(tǒng)中。作為介質(zhì)材料被應(yīng)用的場(chǎng)景很多，例如PCB的基板材料、天線的天線罩、大功率真空器件使用的陶瓷材料、液晶材料等。正因此，對(duì)介電常數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量也提出了要求。目前對(duì)介電常數(shù)測(cè)量方法的應(yīng)用可以說(shuō)遍及民用、工業(yè)、國(guó)防軍工的各個(gè)領(lǐng)域。典型的應(yīng)用場(chǎng)景如下表所示：

介電常數(shù)測(cè)量典型應(yīng)用

在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶需要對(duì)材料的電氣性能，尤其是作為介質(zhì)的電氣性能有足夠準(zhǔn)確的評(píng)估和認(rèn)識(shí)，以便縮短設(shè)計(jì)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量。這些性能由一組介電性能參數(shù)來(lái)描述。通過(guò)對(duì)介質(zhì)材料的介電性能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，可以為研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)場(chǎng)景提供第一手的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善工藝。

二、測(cè)試方法

目前測(cè)量介電常數(shù)常用的方法主要有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法、諧振腔法、平行板電容法、同軸探頭法等等。每種測(cè)試方法都有自己的適用范圍，并沒(méi)有一種能夠適用所有場(chǎng)景的通用方法，因此需要根據(jù)以下特性選擇合適的測(cè)試方法：

★ 測(cè)試頻率范圍

★ 期望測(cè)試的εr值范圍

★ 期望達(dá)到的測(cè)試精度

★ 材料的形式 (液體、粉末、固體)

★ 被測(cè)件尺寸

★ 被測(cè)件是否可破壞

★ 被測(cè)件是否可直接接觸

★ 測(cè)試溫度等

本文主要介紹最常用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法。

01 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法

將樣品及傳感器視為一個(gè)單端口或雙端口網(wǎng)絡(luò)，利用時(shí)域法、傳輸/反射法、多厚度法、多狀態(tài)法、自由空間法等測(cè)試出其表征網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)，通常是散射參數(shù)或復(fù)反射系數(shù)，據(jù)此推出材料的復(fù)介電常數(shù)及復(fù)磁導(dǎo)率。

02 諧振腔法

將材料樣品分別置于一個(gè)封閉或開(kāi)放式諧振腔中電場(chǎng)最強(qiáng)和電磁場(chǎng)最強(qiáng)處，利用樣品放置前后對(duì)腔體電磁參場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變，通過(guò)測(cè)試腔體的品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率的變化，從而推算出材料的電磁參數(shù)。

這兩種不同的介電常數(shù)測(cè)量方法適用于不同的場(chǎng)景，具體可參考下表：

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法比較

三、測(cè)試指標(biāo)

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法，又可細(xì)分為許多方法。比如從網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法衍生出的傳輸反射法、自由空間法、終端短路法；從諧振法衍生出的微擾法、諧振腔法，準(zhǔn)光腔法等。以下對(duì)具體的測(cè)試方法和指標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法>>>

3.1.1傳輸反射法

測(cè)試方法：將測(cè)試材料制作而成的待測(cè)樣品均勻填充于波導(dǎo)、同軸線等標(biāo)準(zhǔn)傳輸線內(nèi)，或者將待測(cè)樣品制作成微帶線、共面波導(dǎo)等微波傳輸線，構(gòu)成一個(gè)互易雙端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量出該雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型即可計(jì)算出被測(cè)樣品的電磁參數(shù)。

測(cè)試指標(biāo)：

? 測(cè)試頻率：0.5～40GHz

?測(cè)試范圍：

  ◆ 介電常數(shù)εr：2.0～100

  ◆ 電損耗角正切tanδ：0.1～10.0

3.1.2自由空間法

自由空間法是傳輸/反射法的一個(gè)特例。它直接將傳輸路徑簡(jiǎn)化為自由空間。自由空間的樣品安裝方便，克服了閉場(chǎng)域下的同軸線法及其矩形波導(dǎo)法中的配合間隙問(wèn)題。它利用微波天線作為電磁波收發(fā)裝置，測(cè)試時(shí)待測(cè)材料應(yīng)放在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)處，根據(jù)測(cè)試需要，可通過(guò)模式轉(zhuǎn)換器對(duì)波型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，波照射到待測(cè)樣品上會(huì)發(fā)生反射和透射，通過(guò)收發(fā)天線分別接收這些反射和透射信號(hào)，然后根據(jù)自由空間法的物理模型計(jì)算得到待測(cè)材料的復(fù)電磁參數(shù)。

測(cè)試指標(biāo)：

? 測(cè)試頻率：2～18GHz

?測(cè)試范圍：

  ◆ 介電常數(shù)εr：2.0～100

  ◆ 電損耗角正切tanδ：>0.1

3.1.3終端短路法

該測(cè)試方法將待測(cè)樣品放在終端短路的微波傳輸系統(tǒng)中，作為傳輸系統(tǒng)的一部分通過(guò)測(cè)量填充材料后波量的偏移和駐波計(jì)算出材料的復(fù)介電常數(shù)。

測(cè)試指標(biāo)：

? 測(cè)試頻率：0.5～40GHz

?測(cè)試范圍：

  ◆ 介電常數(shù)εr：2.0～15

  ◆ 電損耗角正切tanδ：0.001～2.0

3.1.4網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法總結(jié)

3.2 諧振法>>>

3.2.1傳輸線諧振器法

測(cè)試方法：將待測(cè)樣品制作成微波傳輸線諧振器，如帶狀線，微帶線，共面波導(dǎo)等，然后測(cè)量該傳輸線諧振器的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，就能夠根據(jù)傳輸線理論得到材料的復(fù)介電常數(shù)。

測(cè)試指標(biāo)：

? 測(cè)試頻率：1.0～10.0GHz

?測(cè)試范圍：

  ◆ 介電常數(shù)εr：1.5～20

  ◆ 電損耗角正切tanδ：5×10-4～ 1×10-2

3.2.2諧振腔法

測(cè)試方法：將介質(zhì)放在各種微波諧振腔內(nèi)，得到加載樣品前后腔體的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，由嚴(yán)格的電磁場(chǎng)理論分析求解出待測(cè)樣品的復(fù)介電常數(shù)，該方法的測(cè)試精度很高。

測(cè)試指標(biāo)：

? 測(cè)試頻率：8.5 ～ 18GHz，18 ～ 40GHz

?測(cè)試范圍：

  ◆ 介電常數(shù)εr：1.25～12

  ◆ 電損耗角正切tanδ：1×10-2～ 5×10-5

3.2.3準(zhǔn)光腔法

測(cè)試方法：由不同曲率半徑的凹球面鏡構(gòu)成，屬于開(kāi)式諧振腔，是光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)在微波，毫米波頻段的延伸，諧振頻率較高，主要用于毫米波頻段的介質(zhì)參數(shù)測(cè)試。

測(cè)試指標(biāo)：

? 測(cè)試頻率：18～100GHz

?測(cè)試范圍：

  ◆ 介電常數(shù)εr：1.0～10

  ◆ 電損耗角正切tanδ：1×10-4～ 5×10-3

3.2.4諧振法總結(jié)

四、典型配置

從網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法的測(cè)試框圖中可以看出，無(wú)論哪種測(cè)試方法，其核心都是網(wǎng)絡(luò)分析儀。選擇不同的測(cè)試方法，會(huì)有不同的夾具配置和軟件配置。下面基于傳輸線諧振器法給出典型配置表:

五、附錄—網(wǎng)絡(luò)分析儀

使用成都玖錦基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA1000A，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)試夾具和測(cè)試軟件，就能夠?yàn)榭蛻籼峁┩暾慕殡姵?shù)測(cè)量解決方案。使用傳輸反射法測(cè)量介電常數(shù)：

VNA1000A是一款高性能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具有優(yōu)良的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍、分析帶寬、相位噪聲、幅度精度和測(cè)試速度；該設(shè)備提供單端口、響應(yīng)隔離、增強(qiáng)型響應(yīng)、全雙端口等多種校準(zhǔn)方式，內(nèi)設(shè)對(duì)數(shù)幅度、線性幅度、駐波、相位、群時(shí)延、Smith圓圖、極坐標(biāo)等多種顯示格式，外配USB、LAN、GPIB、VGA等多種標(biāo)準(zhǔn)接口，具有傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全部測(cè)量功能，能精確測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性、相頻特性和群時(shí)延特性。

1)  四個(gè)內(nèi)部相位相參信號(hào)源，八個(gè)真正并行測(cè)量的接收機(jī)：

VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組合了四個(gè)內(nèi)置的相位相參信號(hào)源及八個(gè)真正并行測(cè)量的接收機(jī)，可以提供高達(dá)50GHz的完美四端口解決方案。一次連接可完成幾乎所有的線性測(cè)試和非線性測(cè)試，為進(jìn)行廣泛的測(cè)量提供了強(qiáng)大的硬件支撐。

2)   高動(dòng)態(tài)范圍：120dB（典型值）,跡線噪聲優(yōu)于0.001dB,測(cè)量精度高：

VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用混頻接收的設(shè)計(jì)理念，有效的擴(kuò)展了整機(jī)的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，以滿足您對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試需求；優(yōu)異的跡線噪聲指標(biāo)極大地提高了整機(jī)的測(cè)試精度，可滿足用戶精確測(cè)量的需要，特別有助于小插損器件的精確測(cè)量。

3)  校準(zhǔn)類型靈活可選，兼容多種校準(zhǔn)件：

VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可使用機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行直通響應(yīng)校準(zhǔn)、直通響應(yīng)與隔離校準(zhǔn)、單端口校準(zhǔn)、增強(qiáng)型響應(yīng)校準(zhǔn)、全雙端口TOSM校準(zhǔn)、TRL校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)類型，可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準(zhǔn)件，方便不同接口類型器件的測(cè)試。

4)  支持多窗口、多通道測(cè)量，快速執(zhí)行復(fù)雜測(cè)試方案：

VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有多通道和多窗口顯示功能，最多支持64個(gè)通道，最多可同時(shí)顯示32個(gè)測(cè)量窗口，每個(gè)窗口最多可同時(shí)顯示20條測(cè)試軌跡，具有對(duì)數(shù)幅度、線性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式，使觀測(cè)結(jié)果更加直觀，用戶使用方便。

5)  外設(shè)接口豐富，靈活實(shí)用：

VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用兼容PC的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和Windows操作系統(tǒng)組成的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)的完美結(jié)合。用戶可以利用豐富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）來(lái)完成數(shù)據(jù)通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點(diǎn)觸控顯示屏，人性化用戶界面簡(jiǎn)潔直觀，便于操作，可提高測(cè)試效率。

來(lái)源： 高速射頻百花潭