基于諧振腔體法的材料電磁參數(shù)測(cè)試

摘要：本文介紹了一種全新的分裂圓柱體諧振腔體，并且以聚四氟乙烯的測(cè)量為例，詳細(xì)介紹了采用這種腔體完成介質(zhì)材料測(cè)試的具體過(guò)程。此項(xiàng)方法具有精度高、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，最適合于襯底, 薄膜, PCB等材料的測(cè)量，并且遵循IPC測(cè)試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。

關(guān)鍵詞：諧振腔體;材料測(cè)量;電磁參數(shù);網(wǎng)絡(luò)分析儀

引言

　　近年來(lái)，隨著射頻微波技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天、通信技術(shù)與信息技術(shù)等高科技領(lǐng)域?qū)ι漕l微波元器件的要求也隨著提高，使得射頻微波材料在這些領(lǐng)域起到了越來(lái)越重要的作用。對(duì)于射頻微波材料來(lái)說(shuō)，電磁波在其中的傳播完全由材料的電磁參數(shù)決定，在應(yīng)用各種射頻微波材料時(shí)，必須通過(guò)測(cè)試了解其電磁參數(shù)。在各種射頻微波器件，微波與毫米波集成電路底板等大量應(yīng)用射頻微波材料的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)對(duì)象的研究和設(shè)計(jì)都需要準(zhǔn)確的材料電磁參數(shù)。

　　材料的電磁參數(shù)指復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，其中主要集中于其介電特性的研究，有關(guān)材料磁特性的測(cè)量只占少數(shù)，所以本文只討論復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試。測(cè)量材料復(fù)介電常數(shù)的方法有很多，主要分為傳輸反射法和諧振腔體法。其中傳射反射法實(shí)質(zhì)是利用所測(cè)出的樣品的反射和傳射系數(shù)得到復(fù)介電常數(shù)或復(fù)磁導(dǎo)率，根據(jù)所用夾具的不同，又分為同軸空氣線(xiàn)法、波導(dǎo)法、自由空間法和同軸探頭法，同軸探頭法一般用來(lái)測(cè)量液體或者半固體例如粉末，被測(cè)件的損耗較大;同軸空氣線(xiàn)和波導(dǎo)法一般用來(lái)測(cè)量片狀固體或者粉末狀固體，被測(cè)物質(zhì)為損耗至低損，這兩種方法對(duì)被測(cè)件的機(jī)械加工能力要求都比較高，被測(cè)物質(zhì)的截面必須和空氣線(xiàn)或波導(dǎo)的軸線(xiàn)垂直，而且被測(cè)物質(zhì)與空氣線(xiàn)或波導(dǎo)之間最好是完全接觸，否則會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差;自由空間法一般是利用聚焦喇叭天線(xiàn)或者拱形門(mén)來(lái)完成測(cè)量，要求被測(cè)件是大的平面細(xì)狀固體，而且尺寸越大越好，最好是十個(gè)波長(zhǎng)以上，特別適合于高溫物質(zhì)測(cè)量或者其他非接觸性物質(zhì)的測(cè)量。

　　而諧振腔體法的原理是將材料樣品放入封閉或者開(kāi)放的諧振腔體中，根據(jù)放入前后其諧振頻率和品質(zhì)因子Q值的變化來(lái)確定樣品復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，通常是將樣品置于諧振腔中電場(chǎng)最小磁場(chǎng)最大處測(cè)量樣品的復(fù)介電常數(shù)，將樣品置于諧振腔中電場(chǎng)最小磁場(chǎng)最大處測(cè)量樣品的復(fù)磁導(dǎo)率。這種方法目前具有最高的測(cè)量精度，尤其適合于低損耗物質(zhì)的測(cè)量，缺點(diǎn)是無(wú)法支持寬帶的材料測(cè)量。

諧振腔腔體法的工作原理

　　諧振腔體通常具有很高的Q因子，并且在特定的頻率發(fā)生諧振。如果將一材料樣品放入腔體中，將會(huì)改變腔體的諧振頻率和品質(zhì)因子。通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)值的變化，可以得到材料樣品的復(fù)介電常數(shù)或者復(fù)磁導(dǎo)率。腔體的種類(lèi)有很多種，具體的實(shí)現(xiàn)方法也不少，這里以使用的比較廣泛的腔體微擾法為例，作個(gè)說(shuō)明。此種方法已經(jīng)成為美國(guó)材料測(cè)試協(xié)會(huì)的一種標(biāo)準(zhǔn)，方法號(hào)為ASTM2520。該方法使用的是兩端連有Iris耦合平板的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)腔體的主模為，具體測(cè)量時(shí)，如果材料樣品為介電特性，需把樣品置于腔體電場(chǎng)最大處，如果為磁性材料，則把樣品至于磁場(chǎng)最大處。如果矩形波導(dǎo)腔體在波長(zhǎng)中間處開(kāi)了一小孔，則半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍將對(duì)于于最大電場(chǎng)，半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍對(duì)應(yīng)于最大磁場(chǎng)。

　　,

　　其中為樣品相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，為樣品相對(duì)介電常數(shù)的虛部，為空腔體的諧振頻率，為腔體加入樣品后的諧振頻率， 為空腔體的品質(zhì)因子，為腔體加入樣品后的品質(zhì)因子， 為空腔體的體積，為樣品的體積。

分裂圓柱體諧振腔體的介紹

　　盡管基于ASTM2520的腔體微擾法原理簡(jiǎn)單，但是由于直接的腔體不多，通常需要經(jīng)過(guò)矩形波導(dǎo)和Iris耦合平板重新加工后得到，并且這種矩形波導(dǎo)腔體的品質(zhì)因子也不是很高，這樣的話(huà)在測(cè)量低損耗物質(zhì)時(shí)會(huì)存在一定的限制。

　　基于這種情況，安捷倫公司推出了一種圓柱體的諧振腔體，型號(hào)為85072A。這個(gè)諧振腔體由左右各半個(gè)圓柱體腔體構(gòu)成，樣品放在兩個(gè)半圓柱體之間，一個(gè)半圓柱體腔體是固定的，另一個(gè)半圓柱體腔體可以根據(jù)樣品的厚度來(lái)調(diào)整兩個(gè)半圓柱體腔體之間的間隙。為了得到主模，在每個(gè)半圓柱體腔體的側(cè)面通過(guò)打孔連到一個(gè)小的耦合環(huán)。在這個(gè)圓柱體諧振腔體中，電場(chǎng)方向平行于樣品的截面，垂直于圓柱體腔體的軸線(xiàn)。為了得到最高的靈敏度，樣品需要放置在電場(chǎng)最大處，由于

　　圓柱體本身的對(duì)稱(chēng)性，腔體工作在模式時(shí)電場(chǎng)具有最大的強(qiáng)度(其中p是半波長(zhǎng)的數(shù)目，為奇數(shù))。

　　當(dāng)把樣品放置在兩個(gè)半圓柱體腔體之間時(shí)，圓柱體腔體的諧振頻率會(huì)發(fā)生偏移，并且往往是比空腔體時(shí)的諧振頻率低。諧振頻率的偏移程度取決于相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部和樣品的厚度，通過(guò)改變樣品的厚度，可以得到特定的測(cè)量頻率，當(dāng)然也有可能頻率偏移至一定程度后，受到其他非TE模式的干擾信號(hào)，造成測(cè)量精度降低，這時(shí)候只能通過(guò)再次增加或減少樣品的厚度來(lái)減少其他干擾模式。圖1列出了

　　樣品諧振頻率、相對(duì)介電常數(shù)和樣品厚度之間的關(guān)系。

圖1 樣品諧振頻率、相對(duì)介電常數(shù)和樣品厚度的關(guān)系

　　當(dāng)材料樣品放入兩個(gè)半圓柱體腔體之間時(shí)，分裂圓柱體腔體的品質(zhì)因子，或者Q因子會(huì)降低，降低的程度取決于樣品的損耗正切和厚度。厚的樣品或者損耗較大的樣品都會(huì)使得品質(zhì)因子下降太快，從而導(dǎo)致諧振腔體無(wú)法正常工作，完成不了測(cè)量，將材料樣品變薄可以增加品質(zhì)因子，但某些物質(zhì)損耗太大，樣品變薄也不一定能使腔體正常工作，因此我們一般建議分裂圓柱體測(cè)量低損耗物質(zhì)，。

　　需要說(shuō)明的是，這款諧振腔體85072A遵循IPC測(cè)試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。

諧振腔體法的具體測(cè)量過(guò)程

　　在進(jìn)行測(cè)量之前，先逆時(shí)針粗調(diào)旋轉(zhuǎn)游標(biāo)卡尺，使得游標(biāo)卡尺一側(cè)的半圓柱體腔體盡量靠近左邊固定住的半圓柱體腔體，然后細(xì)調(diào)游標(biāo)卡尺，使得兩個(gè)半圓柱體腔體緊緊連在一起，又不會(huì)擠壞，這個(gè)時(shí)候把游標(biāo)卡尺的讀數(shù)置零。之后，調(diào)節(jié)腔體上方的前后兩個(gè)旋鈕盤(pán)，可以通過(guò)調(diào)整跟腔體相連的耦合環(huán)來(lái)改變腔體內(nèi)的耦合強(qiáng)度，最開(kāi)始時(shí)只需把跟耦合環(huán)上的螺栓調(diào)到中心刻度就可以了。

　　這次測(cè)量所采用的儀表是安捷倫公司的PNA系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C，頻率范圍從10MHz至40GHz。啟動(dòng)E8363C后，設(shè)置測(cè)量頻率范圍為10GHz~10.06GHz，測(cè)量S21，設(shè)定Scale為Autoscale。在矢網(wǎng)E8363C的測(cè)量界面將出現(xiàn)一諧振峰值，調(diào)節(jié)腔體上方的兩個(gè)旋鈕盤(pán)，使得峰值在-55dB和-65dB之間，建議為-60dB。

　　安捷倫提供了一型號(hào)為85071E的材料測(cè)量軟件，這個(gè)軟件可以單獨(dú)運(yùn)行在基于Windows XP系統(tǒng)的E836C上，也可以運(yùn)行在外部電腦上，然后外部電腦可以通過(guò)USB/GPIB卡 82357或者網(wǎng)線(xiàn)控制矢網(wǎng)E8363C完成相關(guān)測(cè)量。

　　這個(gè)腔體測(cè)量軟件簡(jiǎn)單易用，首先是對(duì)空腔體進(jìn)行測(cè)量，會(huì)得到空腔體的諧振頻率和品質(zhì)因子，諧振頻率應(yīng)該在10GHz和10.06GHz之間，品質(zhì)因子為20000以上。點(diǎn)擊測(cè)量后，S21的峰值應(yīng)該在-55dB和-65dB之間，一般取-60dB，所以如果遠(yuǎn)離這個(gè)范圍，會(huì)出來(lái)如圖5所示的消息對(duì)話(huà)框，提示我們順時(shí)針或逆時(shí)針調(diào)節(jié)腔體上的旋鈕盤(pán)，使得S21的峰值達(dá)到-60dB，當(dāng)箭頭指示符消失時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)調(diào)節(jié)好了，結(jié)果顯示如圖4所示。

　　本例中所測(cè)量的材料為一塊狀聚四氟乙烯，厚度可用85072A腔體自帶的游標(biāo)卡尺方便的測(cè)出，為1.533mm，游標(biāo)卡尺的精度可達(dá)0.001mm。對(duì)于85072A諧振腔體來(lái)說(shuō)，要求被測(cè)樣品表面是平的，長(zhǎng)、寬大于5.6cm，厚度介于0.05mm和5mm之間。

　　最后，點(diǎn)擊測(cè)量后，就可以得到插入樣品后的諧振腔體的諧振頻率以及品質(zhì)因子，然后軟件就會(huì)自動(dòng)算出樣品的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，以及損耗正切，從圖4中我們可以得到聚四氟乙烯的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部，虛部，損耗正切。可以看出來(lái)，85072A諧振腔體的測(cè)量精度很高，一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)主模，的精度為1%，損耗正切的精度為0.0001。

圖2 帶有游標(biāo)卡尺的85072A諧振腔體

圖3 提示調(diào)節(jié)旋鈕盤(pán)

結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種全新的分裂圓柱體諧振腔體，并且以聚四氟乙烯的測(cè)量為例，詳細(xì)介紹了采用這種腔體完成介質(zhì)材料測(cè)試的具體過(guò)程。此項(xiàng)方法操作簡(jiǎn)單、精度高，的精度為1%，損耗正切的精度為0.0001，最適合于襯底、薄膜、PCB等材料的測(cè)量，并且遵循IPC測(cè)試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。

圖4 基于矢網(wǎng)E8363C的85072A腔體測(cè)量設(shè)置

圖5 基于85071E材料測(cè)量軟件的測(cè)量結(jié)果

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