TW202032140A - 電性參數量測系統 - Google Patents

Abstract

一種電性參數量測系統包含一電磁波收發裝置及一判斷裝置。該電磁波收發裝置包括一訊號收發單元、一發射單元及一接收單元。該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向一待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。該判斷裝置電連接該訊號收發單元，並根據該測試電磁波穿透該待測材料後的部分去建構一量測輻射場型，且利用該量測輻射場型與一參考輻射場型的差異去判斷該待測材料工作於一射頻頻率時的一組量測電性參數。

Description

電性參數量測系統

本發明是關於一種量測系統；特別是一種量測材料的電性參數的系統。

平行板電容法為最早測量材料介電常數的方法，藉由將待測材料置入平行板內，量測其電容值的改變量，再依幾何形狀得出其相對介電數值，此法可簡便地提供準確的介電常數。

平行板電容法的缺點是：當頻率大於1GHz之後其時變場的頻率變化過快導致其誤差會逐漸增大，不符合現今高頻通訊的需求。

另一種共振腔量測法主要是將待測材料置入原先設計好的共振腔體內，藉由量測有無材料時，在腔體內部共振頻率的改變量求得材料的介電常數。由於材料的形狀並不一定皆能剛好符合腔體的大小，故其空氣孔隙常成為誤差的來源。也由於選定的模態關係，常會由於不均勻的材料表面而激發出別的模態的波，產生誤差。對於那些不能填滿腔體的材料，對於其大小和擺放位置，常見的解決方法為腔體微擾法，藉由在選定的模態下得出和材料及腔體幾何形狀有關的常數值，再由共振頻率的改變量及品質因子求得介電常數及介電損耗。

這種共振腔量測法的缺點在於：必須將待測材料精確地做 成特定的幾何形狀，造成實際應用的不便，且由於腔體的關係，通常只能獲得在選定的某單一操作頻率下材料的電性參數。

由於已知的方法有前述的問題，因此需要發展一種能解決前述缺點的電性參數量測系統。

本發明電性參數量測系統的第一較佳實施例適用於量測一待測材料的電性參數，該第一較佳實施例包含一電磁波收發裝置及一判斷裝置。

該電磁波收發裝置包括一訊號收發單元、一發射單元及一接收單元。

該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向該待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。

該判斷裝置電連接該訊號收發單元，並根據該測試電磁波穿透該待測材料後的部分去建構一量測輻射場型，且利用該量測輻射場型與一參考輻射場型的差異去判斷該待測材料工作於一射頻頻率時的一組量測電性參數。

較佳地，該參考輻射場型是當該發射單元及該接收單元之間為自由空間時，該判斷裝置根據該接收單元所接收到的該測試電磁波的部分去建構出來的，並且，該組量測電性參數包括該待測材料工作於該射 頻頻率時的一介電常數及一介電損耗，該判斷裝置利用該量測輻射場型與該參考輻射場型的指向性差異去判斷該介電常數，及利用該量測輻射場型與該參考輻射場型的增益差異去判斷該介電損耗。

較佳地，該第一較佳實施例還包含一電波暗室，且該電磁波收發裝置是設置於該電波暗室中，且該電波暗室及該電磁波收發裝置組成一縮距場(Compact Antenna Test Ranges,CATR)天線量測系統。

較佳地，該訊號收發單元包括一向量網路分析儀，該發射單元包括一拋物面天線，該拋物面天線包括一射頻訊號發射器及一凹面鏡，且該凹面鏡反射出該測試電磁波，該接收單元包括一喇叭天線，該喇叭天線接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。

本發明電性參數量測系統的第二較佳實施例與第一較佳實施例近似，主要的差異在於：第二較佳實施例的該電波暗室及該電磁波收發裝置組成一遠場天線量測系統。該發射單元包括一電連接到該向量網路分析儀的發射天線，該接收單元包括一電連接到該向量網路分析儀的接收天線，且該發射天線發射該測試電磁波，該發射天線到該待測材料之間的距離為遠場，因此該測試電磁波從該發射天線輻射出到達該待測材料時可實質地視為均勻平面波，並且，該接收天線到該待測材料之間的最短距離大於該測試電磁波在自由空間中的一個共振波長。

本發明的電性參數量測系統的第三較佳實施例適用於量測一待測材料的電性參數，該第三較佳實施例包含一電磁波收發裝置及一判斷裝置。

該電磁波收發裝置包括一訊號收發單元、一發射單元及一 接收單元。

該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向該待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。

該判斷裝置電連接該訊號收發單元，並根據該測試電磁波穿透該待測材料後的部分去建構一量測輻射場型，且該判斷裝置更預先儲存多數個已知材料工作於一射頻頻率時，該等已知材料所分別對應的多組已知電性參數及多個已知輻射場型，且每一組已知電性參數對應該等已知輻射場型的其中一個，該判斷裝置更利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的差異，及利用該等已知電性參數去判斷該待測材料工作於該射頻頻率時的一組量測電性參數。

較佳地，每一組已知電性參數包括一已知介電常數及一已知介電損耗，該判斷裝置利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的指向性差異去判斷該待測材料工作於該射頻頻率時的該介電常數，及利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的增益差異去判斷該待測材料工作於該射頻頻率時的該介電損耗。

較佳地，該第三較佳實施例還包含一電波暗室，且該電磁波收發裝置是設置於該電波暗室中，該電波暗室及該電磁波收發裝置組成一縮距場天線量測系統。該訊號收發單元包括一向量網路分析儀，該發射單元包括一拋物面天線，該拋物面天線包括一射頻訊號發射器及一凹面 鏡，且該凹面鏡反射出該測試電磁波，該接收單元包括一喇叭天線，該喇叭天線接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。

本發明的電性參數量測系統的第四較佳實施例適用於量測一待測材料的電性參數，該第四較佳實施例包含一電磁波收發裝置及一判斷裝置。

該電磁波收發裝置包括一訊號收發單元、一發射單元及一接收單元。

該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向該待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分，並量測該測試電磁波穿透該待測材料後的一偏移頻率。

該判斷裝置電連接該訊號收發單元，並根據該發射單元所輻射出的該測試電磁波的一初始頻率與該偏移頻率的差異去判斷該待測材料工作於一射頻頻率時的一介電常數。

本發明之效果在於：該等較佳實施例利用該測試電磁波穿透該待測材料來量測該待測材料的介電常數及介電損耗，所以可以解決先前技術所述必須把待測材料製造成特定形狀的缺點。

1‧‧‧待測材料

2‧‧‧電波暗室

3‧‧‧電磁波收發裝置

4‧‧‧判斷裝置

5‧‧‧訊號收發單元

51‧‧‧向量網路分析儀

6‧‧‧發射單元

61‧‧‧拋物面天線

611‧‧‧射頻訊號發射器

612‧‧‧凹面鏡

62‧‧‧發射天線

7‧‧‧接收單元

71‧‧‧接收天線

第1圖是一示意圖，說明本發明電性參數量測系統的第一 較佳實施例及第三較佳實施例。

第2圖是本發明的第二較佳實施例及第四較佳實施例的示意圖。

參閱圖1，本發明一種電性參數量測系統適用於量測一待測材料1的電性參數，該電性參數量測系統的第一較佳實施例包含一電波暗室2、一電磁波收發裝置3及一判斷裝置4。

該電波暗室2及該電磁波收發裝置3組成一縮距場(Compact Antenna Test Ranges,CATR)天線量測系統，該電磁波收發裝置3是設置於該電波暗室2中，並包括一訊號收發單元5、一發射單元6及一接收單元7。

該訊號收發單元5輸出一射頻測試訊號，該訊號收發單元5包括一向量網路分析儀51，該向量網路分析儀51輸出該射頻測試訊號。

該發射單元6電連接該訊號收發單元5以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元6朝向該待測材料1輻射該測試電磁波，該訊號收發單元5更電連接該接收單元7，該訊號收發單元5更透過該接收單元7接收該測試電磁波穿透該待測材料1後的部分。

於本實施例中，該發射單元6包括一拋物面天線61，該拋物面天線61包括一個以喇叭天線的方式實施的射頻訊號發射器611，及一凹面鏡612，且該凹面鏡612用以反射出該測試電磁波；該接收單元7是一喇叭天線，用以接收該測試電磁波穿透該待測材料1後的部分。

該判斷裝置4電連接該訊號收發單元5，並根據該測試電磁 波穿透該待測材料1後的部分去建構一量測輻射場型，且利用該量測輻射場型與一參考輻射場型的差異去判斷該待測材料1工作於一射頻頻率時的一組量測電性參數。

更詳細地說明，該參考輻射場型是當該發射單元6及該接收單7元之間為自由空間時，該判斷裝置4根據該接收單元7所接收到的該測試電磁波的部分去建構出來的，並且，該組量測電性參數包括該待測材料1工作於該射頻頻率時的一介電常數及一介電損耗，該判斷裝置4利用該量測輻射場型與該參考輻射場型的指向性差異去判斷該介電常數，及利用該量測輻射場型與該參考輻射場型的增益差異去判斷該介電損耗。

補充說明，當該量測輻射場型與該參考輻射場型的指向性角度差異越大時，該待測材料1工作於該射頻頻率時的介電常數就越大；當該量測輻射場型與該參考輻射場型的增益差異越大時，該待測材料1工作於該射頻頻率時的介電損耗就越大。

參閱圖2，本發明的第二較佳實施例與該第一較佳實施例近似，主要的差異在於：第二較佳實施例的該電波暗室2及該電磁波收發裝置3組成一遠場天線量測系統。該發射單元6包括一電連接到該向量網路分析儀51的發射天線62，該接收單元7包括一電連接到該向量網路分析儀51的接收天線71，且該發射天線62發射該測試電磁波，該發射天線62到該待測材料1之間的距離為遠場，因此該測試電磁波從該發射天線62輻射出到達該待測材料1時可實質地視為均勻平面波，並且，該接收天線71到該待測材料1之間的最短距離大於該測試電磁波在自由空間中的一個共振波長。

再參閱圖1，本發明的第三較佳實施例與該第一較佳實施例 近似，主要的差異在於：第三較佳實施例的該判斷裝置4更預先儲存多數個已知材料(圖未示出)工作於一射頻頻率時，該等已知材料所分別對應的多組已知電性參數及多個已知輻射場型，且每一組已知電性參數對應該等已知輻射場型的其中一個，該判斷裝置4更利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的差異，及利用該等已知電性參數去判斷該待測材料1工作於該射頻頻率時的一組量測電性參數。與該第一較佳實施例相似的，第三較佳實施例中的每一組已知電性參數同樣包括一已知介電常數及一已知介電損耗，不同的地方在於：第三較佳實施例中的該判斷裝置4利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的指向性差異去判斷該待測材料1工作於該射頻頻率時的該介電常數，及利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的增益差異去判斷該待測材料1工作於該射頻頻率時的該介電損耗。

舉例說明，當該量測輻射場型的增益與該等已知輻射場型的該等增益的其中一個最近似時，則該待測材料1的介電損耗就最接近這個已知輻射場型所對應的該種已知材料的介電損耗，並且，在進行介電損耗的比對時，該判斷裝置4是先判斷出該待測材料1的介電常數後，再將該待測材料1的量測輻射場型的增益與介電常數實質地相同但介電損耗不同的5這多數個已知輻射場型的增益做比對，進而挑出增益最接近的其中一個該已知材料，則這個被挑出的已知材料的介電損耗就是最接近該待測材料1的介電損耗，因此得知該待測材料1的介電損耗。

此外，該第三較佳實施例的該電波暗室2及該電磁波收發裝置3可以組成如圖1所示的縮距場天線量測系統，或是如圖2所示的遠場天線量測系統。

再參閱圖2，本發明的第四較佳實施例與該第一較佳實施例近似，主要的差異在於：第四較佳實施例的該訊號收發單元5更量測該測試電磁波穿透該待測材料1後的一偏移頻率；該判斷裝置4電連接該訊號收發單元5，並根據該發射單元6所輻射出的該測試電磁波的一初始頻率與該偏移頻率的差異去判斷該待測材料1工作於一射頻頻率時的一介電常數。

舉例說明，當該待測材料1是例如保麗龍之類，介電常數近似於自由空間的材料時，該偏移頻率就會實質地等於該發射單元6輻射出的該測試電磁波的初始頻率，相對地，若該待測材料1的介電常數越高，則該偏移頻率的數值就會越小，所以在實際應用上只需要拿數個已知材料(介電常數不同、介電損耗近似)去測試量得多數個偏移頻率，再將該待測材料1以相同的方法量得該偏移頻率，並將該待測材料1的偏移頻率和該等已知材料的偏移頻率做比對，就能以內插法之類的數值方式估算出該待測材料1的介電常數。

綜上所述，上述較佳實施例具有以下優點：

(1)、於該第一至第三較佳實施例中，該電磁波收發裝置3對該待測材料1發射該測試電磁波，該判斷裝置4利用該測試電磁波穿透該待測材料1之後產生的該量測輻射場型的指向性差異及增益差異分別去判斷該待測材料1的介電常數及介電損耗。

(2)、該第四較佳實施例採用與前述第一至第三較佳實施例近似的架構，但該判斷裝置4是根據該測試電磁波的該初始頻率與偏移頻率的差異去判斷該待測材料1工作於該射頻頻率時的介電常數。

綜上(1)、(2)點所述，本發明的該等實施例可以不用將該待 測材料1製造成特定形狀就可解決先前技術的問題。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單地等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧待測材料

2‧‧‧電波暗室

3‧‧‧電磁波收發裝置

4‧‧‧判斷裝置

5‧‧‧訊號收發單元

51‧‧‧向量網路分析儀

6‧‧‧發射單元

61‧‧‧拋物面天線

611‧‧‧射頻訊號發射器

612‧‧‧凹面鏡

7‧‧‧接收單元

Claims (10)

1. 一種電性參數量測系統，適用於量測一待測材料的電性參數，包含：一電磁波收發裝置，包括一訊號收發單元、一發射單元及一接收單元，該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向該待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分；及一判斷裝置，電連接該訊號收發單元，並根據該測試電磁波穿透該待測材料後的部分去建構一量測輻射場型，且利用該量測輻射場型與一參考輻射場型的差異去判斷該待測材料工作於一射頻頻率時的一組量測電性參數。
2. 根據申請專利範圍第1項之電性參數量測系統，其中該參考輻射場型是當該發射單元及該接收單元之間為自由空間時，該判斷裝置根據該接收單元所接收到的該測試電磁波的部分去建構出來的，並且，該組量測電性參數包括該待測材料工作於該射頻頻率時的一介電常數(Dielectric Constant,Dk)及一介電損耗(Dissipation loss tangent,Df)，該判斷裝置利用該量測輻射場型與該參考輻射場型的指向 性差異去判斷該介電常數，及利用該量測輻射場型與該參考輻射場型的增益差異去判斷該介電損耗。
3. 根據申請專利範圍第1項之電性參數量測系統，還包含一電波暗室，且該電磁波收發裝置是設置於該電波暗室中，且該電波暗室及該電磁波收發裝置組成一縮距場(Compact Antenna Test Ranges,CATR)天線量測系統。
4. 根據申請專利範圍第3項之電性參數量測系統，其中該訊號收發單元包括一向量網路分析儀，該發射單元包括一拋物面天線，該拋物面天線包括一射頻訊號發射器及一凹面鏡，且該凹面鏡反射出該測試電磁波，該接收單元包括一喇叭天線，該喇叭天線接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。
5. 根據申請專利範圍第1項之電性參數量測系統，其中該訊號收發單元包括一向量網路分析儀，該發射單元包括一電連接到該向量網路分析儀的發射天線，該接收單元包括一電連接到該向量網路分析儀的接收天線，且該發射天線發射該測試電磁波，該發射天線到該待測材料之間的距離為遠場。
6. 根據申請專利範圍第1項之電性參數量測系統，其中該訊號收發單元包括一向量網路分析儀，該發射單元包括一電連接到該向量網路分析儀的發射天線，該接收單元包括一電連接到該向量網路分析儀的接收天線，且該發射天線發 射該測試電磁波，該接收天線到該待測材料之間的最短距離大於該測試電磁波在自由空間中的一個共振波長。
7. 一種電性參數量測系統，適用於量測一待測材料的電性參數，包含：一電磁波收發裝置，包括一訊號收發單元、一發射單元及一接收單元，該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向該待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分；及一判斷裝置，電連接該訊號收發單元，並根據該測試電磁波穿透該待測材料後的部分去建構一量測輻射場型，且該判斷裝置更預先儲存多數個已知材料工作於一射頻頻率時，該等已知材料所分別對應的多組已知電性參數及多個已知輻射場型，且每一組已知電性參數對應該等已知輻射場型的其中一個，該判斷裝置更利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的差異，及利用該等已知電性參數去判斷該待測材料工作於該射頻頻率時的一組量測電性參數。
8. 根據申請專利範圍第7項之電性參數量測系統，其中每一組已知電性參數包括一已知介電常數及一已知介電損耗， 該判斷裝置利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的指向性差異去判斷該待測材料工作於該射頻頻率時的該介電常數，及利用該量測輻射場型與該等已知輻射場型的增益差異去判斷該待測材料工作於該射頻頻率時的該介電損耗。
9. 根據申請專利範圍第8項之電性參數量測系統，還包含：一電波暗室，且該電磁波收發裝置是設置於該電波暗室中，該電波暗室及該電磁波收發裝置組成一縮距場天線量測系統，該訊號收發單元包括一向量網路分析儀，該發射單元包括一拋物面天線，該拋物面天線包括一射頻訊號發射器及一凹面鏡，且該凹面鏡反射出該測試電磁波，該接收單元包括一喇叭天線，該喇叭天線接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分。
10. 一種電性參數量測系統，適用於量測一待測材料的電性參數，包含：一電磁波收發裝置，包括一訊號收發單元、一發射單元及一接收單元，該訊號收發單元輸出一射頻測試訊號，該發射單元電連接該訊號收發單元以接收該射頻測試訊號並據以轉換成一實質地是均勻平面波的測試電磁波，且該發射單元朝向該待測材料輻射該測試電磁波，該訊號收發單元更電連接該接收單元，該訊號收發單元更透過該接 收單元接收該測試電磁波穿透該待測材料後的部分，並量測該測試電磁波穿透該待測材料後的一偏移頻率；及一判斷裝置，電連接該訊號收發單元，並根據該發射單元所輻射出的該測試電磁波的一初始頻率與該偏移頻率的差異去判斷該待測材料工作於一射頻頻率時的一介電常數。

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