CN111679131A - 一种厚膜材料介电常数的测量方法 - Google Patents

一种厚膜材料介电常数的测量方法 Download PDF

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CN111679131A CN202010559503.8A CN202010559503A CN111679131A CN 111679131 A CN111679131 A CN 111679131A CN 202010559503 A CN202010559503 A CN 202010559503A CN 111679131 A CN111679131 A CN 111679131A
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Abstract

本发明涉及一种厚膜材料介电常数的测量方法，所述测量方法包括：测量未加待测材料时测量夹具的输入反射系数
Figure DDA0002545565610000011
的值；测量加入待测材料时测量夹具的输入反射系数S11的值；根据所述输入反射系数
Figure DDA0002545565610000012
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料介电常数的实部值和虚部值，进而得到待测材料的介电常数。本发明的优点在于：通过设计定制的测量夹具进行测量，测试效率快、准确率高；且可以直接对材料进行介电常数测试，避免了对材料的破坏，打破了测量时待测材料需要压制圆片的局限，且测量频率范围为0.5‑3GHz，提高了测量频率，使厚膜介电常数的测量更加方便。

Description

一种厚膜材料介电常数的测量方法
技术领域
本发明涉及电子材料测量领域，尤其涉及一种厚膜材料介电常数的测量方法。
背景技术
材料的介电常数测量在通信、航天等相关技术领域有十分重要的作用，其方法也一直是材料科学、生物电磁学、隐身技术等电磁场与微波工程问题领域的重要课题。
材料的介电常数在微波及毫米波段的测量方法按原理可以分为网络参数法、谐振腔法两大类。网络参数法包括时域法、传输反射法、多厚度法、多状态法、自由空间法。时域法操作复杂且计算量大；多厚度法要求样品厚度成倍数关系，且均匀一致；多状态法对于高损耗材料而言测试准确度会下降；自由空间法所需样品尺寸较大，表面平坦且双面平行；谐振腔法适合于单个频点的测量。传输反射法是目前国内外测量吸波材料介电常数最普遍的方法，常用同轴线、带状线或者波导等传输线作为夹具。带状线传输反射法对其测量盒加工的精度要求十分高；波导传输反射法主模带宽有限，且在低频尺寸较大，不易制作；最常用是同轴传输反射法，同轴传输反射法的适用频段可到18GHz，但是其环状样品不易制作，且待测材料的厚度为2～3mm时精度较高，当材料为较薄的片材时，需将环状的片材粘到一起进行测试，会有一定的误差。
目前，在测量材料的介电常数时多利亚阻抗分析仪及配套的测量夹具实现，如图1所示，是是德科技关于使用LCR表和阻抗分析仪测量介电常数，其通过将待测材料2放入阻抗分析仪测量夹具腔体1中，测量夹具放入待测材料1前后夹具总体电容的变化与夹具及其中待测材料2的介电常数的关系求出待测材料2的介电常数；但是目前其测量频率只在1kHz-1GHz的范围，且测量的样品需要压成圆片状才能进行测量。因此，如何快速有效的测量出材料的介电常数，是现阶段需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种厚膜材料介电常数的测量方法，解决了目前介电常数测量方法存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种厚膜材料介电常数的测量方法，所述测量方法包括：
测量未加待测材料时测量夹具的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000011
的值；
测量加入待测材料时测量夹具的输入反射系数S11的值；
根据所述输入反射系数
Figure BDA0002545565590000021
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料介电常数的实部值和虚部值，进而得到待测材料的介电常数。
进一步地，所述的测量未加待测材料时测量夹具的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000022
的值包括：
测量未加待测材料时测量夹具第一频率处的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000023
的值；
测量未加待测材料时测量夹具第二频率处的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000024
的值。
进一步地，所述的测量加入待测材料时测量夹具的输入反射系数S11的值包括：
测量加入待测材料时测量夹具第一频率处的输入反射系数S11的值；
测量加入待测材料时测量夹具第二频率处的输入反射系数S11的值。
进一步地，根据输入反射系数
Figure BDA0002545565590000025
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料介电常数的实部值包括：
将测量得到的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000026
和所述输入反射系数S11的值减去测量夹具自身的误差后代入实部计算公式
Figure BDA0002545565590000027
计算得到待测材料的介电常数实部值。
进一步地，根据输入反射系数
Figure BDA0002545565590000028
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料介电常数的虚部值包括：
将测量得到的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000029
和所述输入反射系数S11的值减去测量夹具自身的误差后代入虚部计算公式
Figure BDA00025455655900000210
计算得到待测材料的介电常数虚部值。
进一步地，所述测量夹具包括一回字形金属腔体，贯穿所述回字形金属腔体一端的金属壁插接有一同轴线，在所述同轴线上连接有金属导带，且所述金属导带悬空于所述回字形金属腔体内；待测材料插入到所述金属导带正上方或者正下方的回字形金属腔体内完成介电常数的测量。
进一步地，所述的回字形金属腔体包括一金属体，在所述金属体任意两个相对的金属壁的中心贯穿开设一方形金属腔，所述金属体和方形金属腔形成所述回字形金属腔体；在与所述方形金属腔平行的所述金属体的任意一个金属壁上插接有所述同轴线。
进一步地，所述的同轴线包括同轴线外壁和同轴线内导体，所述金属导带一端与所述同轴线内导体连接，另一端呈圆弧形且位于所述方形金属腔的中心位置处，形成开路的结构。
进一步地，所述的方形金属腔在与所述金属导带平行方向的宽度为4～7mm，在与所述金属导带垂直方向的高度为2～5mm；所述的同轴线的直径为5～7.5mm，所述同轴线内导体(7)的直径为0.5～1.2mm；所述金属导带(5)的厚度为0.2～0.6mm，以保证所述金属导带(5)不与所述同轴线外壁(6)连接。
进一步地，所述金属导带圆弧的直径为1.5～3.5mm，其距离所述方形金属腔上表面和下表面的高度为1～2.5mm；所述的金属导带的长度小于所述方形金属腔在与所述金属导带平行方形的宽度，以保证所述金属导带的另一端不与所述方形金属腔的内部连接，进而形成开路的结构。
本发明的有益效果为：一种厚膜材料介电常数的测量方法，通过设计定制的测量夹具进行测量，测试效率快、准确率高；且可以直接对材料进行介电常数测试，避免了对材料的破坏，打破了测量时待测材料需要压制圆片的局限，且测量频率范围为0.5-3GHz，提高了测量频率，使厚膜介电常数的测量更加方便。
附图说明
图1为现有阻抗分析仪测量夹具的示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为测量夹具未加待测材料的S参数史密斯图；
图4为测量夹具未加待测材料的结构示意图；
图5为测量夹具的正视图；
图6为测量夹具的俯视图；
图7为测量夹具加入待测材料的结构示意图；
图中：1-阻抗分析仪测量夹具腔体，2-待测材料，3-回字形金属腔体，4-同轴线，5-金属导带，6-同轴线外壁，7-同轴线内导体，8-金属体，9-方形金属腔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图2和图3所示，本发明涉及的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括：
S1、测量未加待测材料2时测量夹具的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000041
的值；
S2、测量加入待测材料2时测量夹具的输入反射系数S11的值；
S3、根据所述输入反射系数
Figure BDA0002545565590000042
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料2介电常数的实部值和虚部值，进而得到待测材料2的介电常数。
图3中3GHz处S11远离谐振点，因此可以利用该夹具进行介电常数的测量。
进一步地，所述的测量未加待测材料2时测量夹具的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000043
的值包括：
测量未加待测材料2时测量夹具0.5GHz处的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000044
的值；测量未加待测材料2时测量夹具3GHz处的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000045
的值。
进一步地，所述的测量加入待测材料2时测量夹具的输入反射系数S11的值包括：
测量加入待测材料2时测量夹具0.5GHz处的输入反射系数S11的值；测量加入待测材料2时测量夹具3GHz处的输入反射系数S11的值。
根据输入反射系数
Figure BDA0002545565590000046
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料2介电常数的实部值包括：
将测量得到的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000047
和所述输入反射系数S11的值减去测量夹具自身的误差后代入实部计算公式
Figure BDA0002545565590000048
计算得到待测材料2的介电常数实部值。
其中，S11为测量夹具加入待测材料2后的输入反射系数值，
Figure BDA0002545565590000049
为测量夹具未加入待测材料2时的输入反射系数值，ε′为介电常数实部，f表示频率；
k1＝0.0005674×f3-0.005706×f2+0.0004366×f+0.1112
k2＝0.008793×f2+0.004042×f-0.6502
k3＝0.01029×f2-0.0002764×f+0.9193。
其中k1、k2、k3为常数、
Figure BDA00025455655900000410
表示圆周率；
根据输入反射系数
Figure BDA00025455655900000411
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料2介电常数的虚部值包括：
将测量得到的输入反射系数
Figure BDA00025455655900000412
和所述输入反射系数S11的值减去测量夹具自身的误差后代入虚部计算公式
Figure BDA00025455655900000413
计算得到待测材料2的介电常数虚部值。
其中，S11为测量夹具加入待测材料2后的输入反射系数值，
Figure BDA0002545565590000051
为测量夹具未加入待测材料2时的输入反射系数值，ε″为介电常数虚部，f表示频率；
k4＝-9.402×f3+48.13×f2-69.85×f+35.56
k5＝-64.97×f3-235.9×f2+55.12×f-42.7
k6＝4.535×f3-25.23×f2+42.19×f+21.8
k7＝-22520×f3+264400×f2-319700×f+98090
k8＝-46.71×f3+256.7×f2-445.1×f+135.4
k9＝-0.4489×f3+2.707×f2-5.085×f+3.022。
其中k4、k5、k6、k7、k8、k9表示常数；介电常数ε＝ε′+ε″，因此测得其实部和虚部即可求得其介电常数；
本发明通过平行板法来进行测量，利用平行板间的电容值与其板间介质的介电常数成正相关的关系，可以通过已知介电常数的材料充作校准件计算得到电容与介电常数的公式，进而测量待测量材料的电容值；
如图4-7所示，所述测量夹具包括一回字形金属腔体3，贯穿所述回字形金属腔体3一端的金属壁插接有一同轴线4，在所述同轴线4上连接有金属导带5，且所述金属导带5悬空于所述回字形金属腔体3内；测量仪器与同轴线连接好后，将待测材料2插入到所述金属导带5正上方或者正下方的回字形金属腔体3内完成介电常数的测量。
进一步地，回字形金属腔体3包括一金属体8，在所述金属体8任意两个相对的金属壁的中心贯穿开设一方形金属腔9，所述金属体8和方形金属腔9形成所述回字形金属腔体3；在与所述方形金属腔9平行的所述金属体8的任意一个金属壁上插接有所述同轴线4。
进一步地，同轴线4包括同轴线外壁6和同轴线内导体7，所述金属导带5一端与所述同轴线内导体7连接，另一端呈圆弧形且位于所述方形金属腔3的中心位置处，形成开路的结构。
进一步地，方形金属腔9在与所述金属导带5平行方向的宽度为4～7mm，在与所述金属导带5垂直方向的高度为2～5mm；所述的同轴线4的直径为5～7.5mm，所述同轴线内导体7的直径为0.5～1.2mm；所述金属导带5的厚度为0.2～0.6mm，以保证所述金属导带5不与所述同轴线外壁6连接。
进一步地，金属导带5圆弧的直径为1.5～3.5mm，其距离所述方形金属腔3上表面和下表面的高度为1～2.5mm；所述的金属导带5的长度小于所述方形金属腔9在与所述金属导带5平行方形的宽度，以保证所述金属导带5的另一端不与所述方形金属腔9的内部连接，进而形成开路的结构。
优选地，测量夹具的同轴线内导体7的直径为0.23mm，同轴线外壁的直径为1.25mm，金属导带5的长度为3mm，其中金属导带5的开路端圆弧半径为1mm，厚度为0.4mm，金属导带5距离方形金属腔3的上表面和下表面的高度为2mm，方形金属腔9的高度为4.4mm，方形金属腔9的宽度为6.6mm；
实施例1，首先，测得未加待测材料2时的夹具0.5GHz处的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000061
为0.0020-9.5137i；然后，选用介电常数实部为1～20的材料对本方法进行试验，将介电常数为5+0.5i，磁导率为20+0.2i的待测材料2放入到测量夹具中，通过仿真得到0.5GHz处于的输入反射系数S11为0.0731-9.0388i；最后将
Figure BDA0002545565590000062
和S11代入到前述的实部计算公式和虚部计算公式中进行实部值和虚部值的计算，得到待测材料2的介电常数为4.9272+0.446i。
实施例2，首先，测得未加待测材料2时的夹具3GHz处的输入反射系数
Figure BDA0002545565590000063
为0.0006-1.3774i；将介电常数为10+1i，磁导率为20+2i的待测材料2放入到测量夹具中，通过仿真得到其3GHz处的输入反射系数S11为0.0026-1.2499i；最后，将
Figure BDA0002545565590000064
和S11代入到前述的实部计算公式和虚部计算公式中进行实部值和虚部值的计算，得到待测材料2的介电常数为9.1328+0.8279i。
本发明的测量方法对待测材料2的介电常数实部为1～20，损耗角正切为0.1～0.3时，介电常数实部计算的准确率大于90％，且待测材料2的介电常数实部值越小其准确率越高，且整个测量过程用时很短，极大地提高了测量效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括：
测量未加待测材料(2)时测量夹具的输入反射系数
Figure FDA0002545565580000011
的值；
测量加入待测材料(2)时测量夹具的输入反射系数S11的值；
根据所述输入反射系数
Figure FDA0002545565580000012
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料(2)介电常数的实部值和虚部值，进而得到待测材料(2)的介电常数。
2.根据权利要求1所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述的测量未加待测材料(2)时测量夹具的输入反射系数
Figure FDA0002545565580000013
的值包括：
测量未加待测材料(2)时测量夹具第一频率处的输入反射系数
Figure FDA0002545565580000014
的值；
测量未加待测材料(2)时测量夹具第二频率处的输入反射系数
Figure FDA0002545565580000015
的值。
3.根据权利要求1所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述的测量加入待测材料(2)时测量夹具的输入反射系数S11的值包括：
测量加入待测材料(2)时测量夹具第一频率处的输入反射系数S11的值；
测量加入待测材料(2)时测量夹具第二频率处的输入反射系数S11的值。
4.根据权利要求1所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：根据输入反射系数
Figure FDA0002545565580000016
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料(2)介电常数的实部值包括：
将测量得到的输入反射系数
Figure FDA0002545565580000017
和所述输入反射系数S11的值减去测量夹具自身的误差后代入实部计算公式
Figure FDA0002545565580000018
计算得到待测材料(2)的介电常数实部值。
5.根据权利要求1所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：根据输入反射系数
Figure FDA0002545565580000019
和所述输入反射系数S11的值计算得到待测材料(2)介电常数的虚部值包括：
将测量得到的输入反射系数
Figure FDA00025455655800000110
和所述输入反射系数S11的值减去测量夹具自身的误差后代入虚部计算公式
Figure FDA00025455655800000111
计算得到待测材料(2)的介电常数虚部值。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述测量夹具包括一回字形金属腔体(3)，贯穿所述回字形金属腔体(3)一端的金属壁插接有一同轴线(4)，在所述同轴线(4)上连接有金属导带(5)，且所述金属导带(5)悬空于所述回字形金属腔体(3)内；待测材料(2)插入到所述金属导带(5)正上方或者正下方的回字形金属腔体(3)内完成介电常数的测量。
7.根据权利要求6所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述的回字形金属腔体(3)包括一金属体(8)，在所述金属体(8)任意两个相对的金属壁的中心贯穿开设一方形金属腔(9)，所述金属体(8)和方形金属腔(9)形成所述回字形金属腔体(3)；在与所述方形金属腔(9)平行的所述金属体(8)的任意一个金属壁上插接有所述同轴线(4)。
8.根据权利要求7所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述的同轴线(4)包括同轴线外壁(6)和同轴线内导体(7)，所述金属导带(5)一端与所述同轴线内导体(7)连接，另一端呈圆弧形且位于所述方形金属腔(3)的中心位置处，形成开路的结构。
9.根据权利要求8所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述的方形金属腔(9)在与所述金属导带(5)平行方向的宽度为4～7mm，在与所述金属导带(5)垂直方向的高度为2～5mm；所述的同轴线(4)的直径为5～7.5mm，所述同轴线内导体(7)的直径为0.5～1.2mm；所述金属导带(5)的厚度为0.2～0.6mm，以保证所述金属导带(5)不与所述同轴线外壁(6)连接。
10.根据权利要求9所述的一种厚膜材料介电常数的测量方法，其特征在于：所述金属导带(5)圆弧的直径为1.5～3.5mm，其距离所述方形金属腔(3)上表面和下表面的高度为1～2.5mm；所述的金属导带(5)的长度小于所述方形金属腔(9)在与所述金属导带(5)平行方形的宽度，以保证所述金属导带(5)的另一端不与所述方形金属腔(9)的内部连接，进而形成开路的结构。
CN202010559503.8A 2020-06-18 2020-06-18 一种厚膜材料介电常数的测量方法 Pending CN111679131A (zh)

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