CN201788235U

CN201788235U - 一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置

Info

Publication number: CN201788235U
Application number: CN2010202526184U
Authority: CN
Inventors: 吴昌英; 王婷; 任安康; 李建周
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2020-07-08

Abstract

本实用新型公开了一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置，测试电路板包括三个微带二端口网络，分别为直通网络、延迟网络、开路及测量网络，从两端到中间均依次有同轴接头、微带线、高阻四分之一波长短路枝节、耐高压带通滤波器、直流馈电电路；将高压源分别连接在三个微带二端口网络的直流馈电电路上，为待测样品提供直流偏压；计算机从矢量网络分析仪中读取三个微带二端口网络的S参数，并根据读取的S参数计算出铁电材料的介电常数。本实用新型可以测量微波频段下待测样品的介电常数；降低滤波器的差损，提高测量精度；保证高压测量时矢量网络分析仪的安全。

Description

一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置

技术领域

本发明属于微波测量领域，涉及一种铁电材料铁电性的测量装置。

背景技术

铁电材料是一种应用广泛的功能材料。铁电性是铁电材料的重要特性之一。铁电性是指某些绝缘体材料在外加电场的作用下自发极化可以被反转的特性，通俗的讲就是介电常数随外加电压改变的特性。为了探索、研究和开发铁电材料及其器件，科学工作者和工程技术人员对铁电材料的铁电性的测量提出了要求。

查阅中外专利和科技文献，有很多介绍铁电材料铁电性的测量方法，常见的方法有谐振法、分压法和电桥法等。这些方法的测量频率都远在微波频段以下。但是目前铁电体材料已经在微波频段表现出很有潜力的前景。而微波频段下铁电材料的铁电性测量方法却鲜有报道。

发明内容

为了克服现有技术不能测量微波频段下铁电材料铁电性的不足，本发明提供了一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置，可以测量微波频段下铁电材料的介电常数随外加电压改变的特性，外加电压可以达到3kV。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括矢量网络分析仪、计算机、高压源和测试电路板。测试电路板包括三个微带二端口网络，分别为直通网络、延迟网络、开路及测量网络。这三个微带二端口网络从两端到中间均依次有同轴接头、微带线、高阻四分之一波长短路枝节、耐高压带通滤波器、直流馈电电路。不同的是，直通网络中的两个直流馈电电路之间直接连接，延迟网络的两个直流馈电电路之间通过延迟线连接，开路及测量网络的两个直流馈电电路之间有一个缝隙。测量时，将高压源分别连接在三个微带二端口网络的直流馈电电路上，为待测样品提供直流偏压。计算机从矢量网络分析仪中读取三个微带二端口网络的S参数，并根据读取的S参数计算出铁电材料的介电常数。

所述的高压源的输出直流电压可以从0V到3kV变化。所述的耐高压带通滤波器为开路的四分之一波长平行板传输线，传输线中的介质采用相对介电常数超过10的高介电常数材料。因为介电常数越高，则辐射损耗越低，差损越小。所述的耐高压带通滤波器和传统的微带耦合滤波器相比差损比较低，传统的微带耦合滤波器有较大的辐射损耗和介质损耗，导致了差损比较高。所述的耐高压带通滤波器和隔直电容相比可以耐超过3kV的电压，传统的贴片隔直电容耐压只有几十伏，传统的高压电容由于其结构的特点不适合应用在微波频段。

本发明工作时包括如下步骤：

a.校准矢量网络分析仪；

b.依次将将直通网络、延迟网络和开路及测量网络连接在矢量网络分析仪上，计算机从矢量网络分析仪中读取三个微带二端口网络的S参数；

c.将两边覆有金属的待测样品接在开路及测量网络中间缝隙的两个微带线上，待测样品的两个金属面分别焊接在缝隙的两端，将高压源连接在开路及测量网络的两个直流馈电电路上，其中一个直流馈电电路连接高压源的地线，另一个直流馈电电路连接高压源的高压线，在0-3kV的范围内调整的输出直流电压(调整的间隔并没有一个统一要求，应根据不同测量的需要选择不同的调整间隔)，将开路及测量网络连接在矢量网络分析仪上，读取S参数；

d.根据TRL校准方法对读取的S参数进行处理，得到两边覆有金属的待测样品的S参数，进一步得到ABCD矩阵，ABCD矩阵中的B为两边覆有金属的待测样品的容抗，进一步得到待测样品的电容量，进一步根据平行板电容器的原理计算出待测样品的介电常数，最后记录一个频段内不同直流偏压下待测样品的介电常数，即为待测样品的铁电性。

所述的待测样品的横向尺寸应该小于十分之一波长，这样可以将两边覆有金属的待测样品等效为平行板电容器。

本发明的有益效果是：由于采用TRL校准方法消除馈线等测量电路的影响，可以测量微波频段下待测样品的介电常数；由于采用具有高介电常数的开路的四分之一波长平行板传输线作为耐高压带通滤波器，降低滤波器的差损，提高测量精度；由于采用高阻四分之一波长短路枝节将和矢量网络分析仪相连的微带线的直流电势限制在零电势，保证高压测量时矢量网络分析仪的安全。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构框图。

图2是图1中测试电路板的电路图。

图3是图2中耐高压带通滤波器的结构图。

图中，1、计算机，2、矢量网络分析仪，3、测试电路板，4、高压源，31、直通网络，32、延迟网络，33、开路及测量网络，34、同轴接头，35、微带线，36、高阻四分之一波长短路枝节，37、短路孔，38、耐高压带通滤波器，39、直流馈电电路，40、延迟线，41、缝隙，381、陶瓷，382、金属极板，391、四分之一波长高阻线，392、扇形四分之一波长开路线，393、隔离电阻，394、焊盘。

具体实施方式

如图1所示，一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置，包括计算机1，矢量网络分析仪2，测试电路板3和高压源4。高压源4连接在测试电路板3上，为待测样品提供不同的直流偏压。计算机1控制矢量网络分析仪2读取测试电路板3的S参数，并对读取的数据进行计算输出，给出待测样品的介电常数数据。

如图1、图2所示，测试电路板3包括直通网络31，延迟网络32和开路及测量网络33。测试电路板3采用蚀刻等工艺方式设置在双面覆铜板上。双面覆铜板的下表面为地平面，上表面如图2所示。直通网络31、延迟网络32和开路及测量网络33相似，都是左右对称。每个网络都包括两组同轴接头34，微带线35，高阻四分之一波长短路枝节36，短路孔37，耐高压带通滤波器38和直流馈电电路39。不同的是，直通网络31中的两个直流馈电电路39之间直接连接，延迟网络32的两个直流馈电电路39之间通过延迟线40连接，开路及测量网络33的两个直流馈电电路39之间有一个缝隙41。直流馈电电路39包括四分之一波长高阻线391，扇形四分之一波长开路线392，隔离电阻393和焊盘394。

如图2所示，微波信号在两个同轴接头34之间，沿着微带线35和耐高压带通滤波器38传播。测量时，开路及测量网络33中的两个直流馈电电路39为焊接在缝隙41上的待测样品提供直流偏压。高压源4的两根输出线分别连接在开路及测量网络33中的两个直流馈电电路39的两个焊盘394上。隔离电路393隔断了焊盘394对微波信号的影响。四分之一波长高阻线391和扇形四分之一波长开路线392连接起来可以确保直流馈电电路39对微波信号呈现开路特性。每个网络上的两个耐高压带通滤波器38隔断直流通路。高阻四分之一波长短路枝节36和短路孔37在微带线35处相当于开路，不影响微波信号的传输，其作用是确保即使在意外的情况下微带线35仍处于地电位，高电压不会传输到矢量网络分析仪2中。

待测样品的几何形状为片状，两边覆有金属，当待测样品的横向尺寸小于十分之一波长的时候可以等效为平行板电容器。

如图2和图3所示，耐高压带通滤波器38包括圆柱形的陶瓷381和两个金属极板382。两个金属极板382覆在圆柱形的陶瓷381的两个底面上。选择比较高的介电常数和适当的金属极板382尺寸，使耐高压带通滤波器38的半径为四分之一波长，则在测量频率下，耐高压带通滤波器38呈现短路特性。

如图1、图2所示，本发明工作时包括如下步骤：

a.校准矢量网络分析仪2；

b.依次将将直通网络31、延迟网络32和开路及测量网络33连接在矢量网络分析仪2上，计算机1从矢量网络分析仪2中读取三个微带二端口网络的S参数；

c.将两边覆有金属的待测样品接在开路及测量网络33中间缝隙41的两个微带线35上，待测样品的两个金属面分别焊接在缝隙的两端，将高压源4连接在开路及测量网络的两个直流馈电电路39上，，其中一个直流馈电电路39连接高压源4的地线，另一个直流馈电电路39连接高压源4的高压线，在0-3kV的范围内调整的输出直流电压，将将开路及测量网络33连接在矢量网络分析仪2上，读取S参数；

d.根据TRL校准方法对读取的S参数进行处理，得到两边覆有金属的待测样品的S参数，进一步得到ABCD矩阵，ABCD矩阵中的B为两边覆有金属的待测样品的容抗)，进一步得到待测样品的电容量，进一步根据平行板电容器的原理计算出待测样品的介电常数，最后记录一个频段内不同直流偏压下待测样品的介电常数，即为待测样品的铁电性。

Claims

1.一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置，包括矢量网络分析仪、计算机、高压源和测试电路板，其特征在于：测试电路板包括三个微带二端口网络，分别为直通网络、延迟网络、开路及测量网络；所述的三个微带二端口网络从两端到中间均依次有同轴接头、微带线、高阻四分之一波长短路枝节、耐高压带通滤波器、直流馈电电路；不同的是，直通网络中的两个直流馈电电路之间直接连接，延迟网络的两个直流馈电电路之间通过延迟线连接，开路及测量网络的两个直流馈电电路之间有一个缝隙；将高压源分别连接在三个微带二端口网络的直流馈电电路上，为待测样品提供直流偏压；计算机从矢量网络分析仪中读取三个微带二端口网络的S参数，并根据读取的S参数计算出铁电材料的介电常数。

2.根据权利要求1所述的一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置，其特征在于：所述的高压源的输出直流电压从0V到3kV变化。

3.根据权利要求1所述的一种微波频段下铁电材料铁电性的测量装置，其特征在于：所述的耐高压带通滤波器为开路的四分之一波长平行板传输线，传输线中的介质采用相对介电常数超过10的高介电常数材料，耐超过3kV的电压。

4.根据权利要求1所述的一种微波频段下铁电材料铁电性的测量方法，其特征在于：所述的待测样品的横向尺寸小于十分之一波长，这样可以将两边覆有金属的待测样品等效为平行板电容器。