一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)，包括天線部分、射頻電路部分以及數(shù)據(jù)處理顯示部分；天線部分包括測試天線和散射樣本；射頻電路部分包括射頻信號源和射頻電路，其中射頻電路由定向耦合器、低噪聲放大器、功分器、混頻器以及低通濾波器組成；數(shù)據(jù)處理顯示部分由放大電路與ARM開發(fā)板組成；利用天線輸入阻抗的變化和輻射場準確測量出樣本的電磁參數(shù)。本發(fā)明具有能夠精確測量低介電常數(shù)材料和高介電常數(shù)材料，誤差??；測試系統(tǒng)簡單，便于集成；散射體樣本形狀簡單易于加工，可以對散射體樣本進行掃頻測試的特點。
【專利說明】一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微博測量領(lǐng)域，具體涉及一種利用天線輸入阻抗的變化和輻射場準確測量出樣本的電磁參數(shù)(介電常數(shù)和損耗)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微波技術(shù)的發(fā)展，航空航天、軍事民用、數(shù)字通信、科學(xué)研究等領(lǐng)域?qū)ξ⒉ㄔ骷男枨笤絹碓蕉啵沟梦⒉ú牧?、微波介質(zhì)基板和元器件也不斷地被開發(fā)，這些材料已經(jīng)產(chǎn)生了越來越重要的作用。微波材料現(xiàn)在已經(jīng)用于各種微波產(chǎn)品中，隨著人們研究微波的頻段越來越高，隨之的微波器件也越做越小，新材料的不斷發(fā)明和出現(xiàn)，工藝要求的數(shù)據(jù)也越來越精確，使得人們不得不研究出更先進的方法，制造出更加精密的儀器去測量微波材料和器件的參數(shù)。而介電常數(shù)和損耗是微波工藝中必不可少的參數(shù)，準確測量電介質(zhì)材料的介電常數(shù)和損耗對將來的研究和應(yīng)用有著深遠的意義，也早已成為國內(nèi)外人們研究的課題，并逐漸形成成熟的理論和測試方法。
[0003]低介電常數(shù)材料在半導(dǎo)體集成電路中應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)是研究的熱門課題，如今所知的最低介電常數(shù)材料是基于氣凝膠的低介電常數(shù)材料，其相對介電常數(shù)只有1.3(空氣約為I);而高介電常數(shù)材料(相對介電常數(shù)大于10)主要應(yīng)用于微波頻段的設(shè)備生產(chǎn)研究中，高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷就是其中的典型代表，它可以用于微波低頻段通信系統(tǒng)中的介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器。在微波設(shè)備和微波電路中，特別是在微波集成電路中，大量地使用著各種介質(zhì)材料，具體來說，在考慮到高頻電路板選材時，在設(shè)計微帶電路、微帶天線時，都必須知道介質(zhì)材料的精確介電性能參數(shù)，否則會造成各種設(shè)計工作的無法進行，對各部件功能造成不可預(yù)測的影響，因此，測量介質(zhì)材料的介電性能參數(shù)對研究人員和設(shè)計人員具有很重要的意義。
[0004]隨著微波材料越做越好，像氣凝膠的低介電常數(shù)材料和微波高介電常數(shù)陶瓷材料的出現(xiàn)，各種新興的材料也不斷涌現(xiàn)，所以介電常數(shù)越來越重要，是微波電路和材料中必不可少的參數(shù)，國內(nèi)外已經(jīng)涌現(xiàn)出很多種測量介電常數(shù)的理論和方法，最早在1929年就有測量介電常數(shù)的概念了，縱觀這些方法，總的可以分為非諧振法和諧振法，他們都是測量介電常數(shù)非常有效的方法。但隨著技術(shù)水平和設(shè)備越來越先進，測量的精度也越來越高。
[0005]下面介紹幾類常用的介電常數(shù)的測量方法:
一、非諧振法
把一個待測樣品放在一部分傳輸線、波導(dǎo)或者平面結(jié)構(gòu)中，比如微帶線或條狀線，就可以測得的散射參數(shù)，再通過散射方程計算出介電常數(shù)。非諧振法主要包括反射法和傳輸/反射法。
[0006]1、反射法:
(1)、波導(dǎo)法:將一小片散射樣本填充在波導(dǎo)傳輸線中，從兩端的介質(zhì)反射系數(shù)中可以通過公式計算出介電常數(shù)；
(2)、同軸線法:把樣品填充到同軸線中，然后根據(jù)反射系數(shù)的變化得出結(jié)果； (3)、自由空間法:一頻率固定線極化平面均勻波入射到自由空間中厚度為d的平面樣本上，可測出傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，再通過公式推導(dǎo)計算。
[0007]2、傳輸/反射法:
(1)、圓波導(dǎo)法:把一段和圓波導(dǎo)同軸的樣本放入波導(dǎo)中，TE模波傳輸后相位變化等求
出；
(2)、同軸線間斷法:同軸線去掉一段把散射樣本嵌入到之中去，樣本收到入射電磁場的照射，從散射方程中分析樣本表面電場，寫出入射場的空間分布，通過計算得出介電常數(shù)的值。
[0008]使用非諧振法可以很成功地測量高介電常數(shù)和損耗的材料，但是需要一個較大的樣本，而且對于低損耗材料測量的精確度比較低。
[0009]二、諧振法
諧振法主要是把散射樣本放入在一個微波諧振器中，通過諧振器的內(nèi)部參數(shù)的變化(如諧振頻率和品質(zhì)因數(shù))，再求得樣本的介電常數(shù)。諧振法主要分為諧振腔法和諧振微擾法。
[0010]1、諧振腔法:
(1)金屬罩諧振器法:同軸柱形樣本放在柱形金屬罩內(nèi)，和金屬圓柱體有同樣的高度，從混合模的特征方程中解出諧振頻率，然后再得出結(jié)果；
(2)夾層法:將散射樣本夾在兩塊高溫金屬薄片之間，且之間沒有縫隙，得出他們的諧振特性，再計算出介電常數(shù)；
(3 )回音壁諧振法:回音壁諧振法是測量低耗材料介電常數(shù)最精確的方法之一，它的輻射損耗很小，從諧振頻率和邊界條件中得出介電常數(shù)的值。
[0011]諧振法因為其高精度與靈活性被廣泛應(yīng)用，適合低損耗的介質(zhì)和材料，但是其樣本加工和模型制作比較繁瑣，無法勝任對高介電常數(shù)的測量。
[0012]2、諧振微擾法:
在加入散射樣本之后，諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q值都有微小的變化，再根據(jù)微擾方程計算出介電常數(shù)的值。諧振微擾法不需要一個確定特性的散射樣本，形狀可以任意，尺寸可以小，測試頻率決定于腔體內(nèi)的諧振頻率(可以被設(shè)定)，有時用個活塞，墻體內(nèi)總能量增加而引起的一些不確定因素也可以被解決。
[0013]根據(jù)上述幾種常用的介電常數(shù)的測量方法來看，現(xiàn)有的方法一般只能準確測量地介電常數(shù)或者高介電常數(shù)，還不能實現(xiàn)同時精準測量，并且有些方法的測試系統(tǒng)或者是樣本的制作還比較繁瑣，加工成本高，難于制作。
[0014]因此，如何同時精確測量低介電常數(shù)與高介電常數(shù)，并且制作低成本的測試系統(tǒng)或者樣本是本領(lǐng)域研究人員所需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)及方法，利用靜態(tài)場方法，加入樣本后天線福射的電場E’可以從無樣本時的電場E推導(dǎo)出來,根據(jù)哈林頓的腔體微擾理論，E’和E在樣本不同形狀下存在不同的關(guān)系，這樣便能準確測量低介電常數(shù)以及高介電常數(shù)的材料，并且本發(fā)明中采用的測試樣本都是簡單的、易于加工的形狀，所需天線也是比較簡單的微帶貼片天線。
[0016]為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)，包括天線部分、射頻電路部分以及數(shù)據(jù)處理顯示部分；所述天線部分包括測試天線和散射樣本；所述射頻電路部分包括射頻信號源和射頻電路，其中射頻電路由定向耦合器、低噪聲放大器、功分器、混頻器以及低通濾波器組成；所述數(shù)據(jù)處理顯示部分由放大電路與ARM開發(fā)板組成。
[0017]天線部分由測試天線與散射體樣本組成，測試天線發(fā)射電磁波照射散射體樣本，對散射體樣本進行測試，同時，測試天線端口的輸入阻抗會發(fā)生變化；射頻電路部分由射頻信號源和射頻電路組成，主要作用是通過定向耦合器分離測試天線端口的入射波和反射波，將反射波進行放大、混頻、濾波處理，將高頻入射信號和反射信號轉(zhuǎn)化成低頻可處理的信號，分離成幅度相關(guān)信號與相位相關(guān)信號供數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理顯示部分由放大電路、ARM開發(fā)板組成，放大電路的作用是放大射頻電路部分輸出的信號，以供處理；ARM開發(fā)板的作用是將得到的信號進行處理，按照本發(fā)明提供的新算法算出測試天線的輸入阻抗，進而計算出此時散射體樣本的相對介電常數(shù)和損耗角正切,并實時顯示。
[0018]進一步地，測量的具體步驟為:
(1)給測試天線施加一個激勵，產(chǎn)生輻射場，同時測試天線在端口處具有輸入阻抗；隨后放入散射樣本，測試天線產(chǎn)生新的輻射場，同時在端口處具有新的輸入阻抗，通過輻射場與輸入阻抗的變化求出散射樣本的介電常數(shù)和損耗，公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)，其特征在于:包括天線部分、射頻電路部分以及數(shù)據(jù)處理顯示部分；所述天線部分包括測試天線和散射樣本；所述射頻電路部分包括射頻信號源和射頻電路，其中射頻電路由定向耦合器、低噪聲放大器、功分器、混頻器以及低通濾波器組成；所述數(shù)據(jù)處理顯示部分由放大電路與ARM開發(fā)板組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)，其特征在于: 測量的具體步驟為: (1)給測試天線施加一個激勵，產(chǎn)生輻射場，同時測試天線在端口處具有輸入阻抗；隨后放入散射樣本，測試天線產(chǎn)生新的輻射場，同時在端口處具有新的輸入阻抗，通過輻射場與輸入阻抗的變化求出散射樣本的介電常數(shù)和損耗，公式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟(6)中: 當(dāng)所測散射體樣本介電常數(shù)比較低時(介電常數(shù)〈10)，E^E ,采用微擾法:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精確測量介電常數(shù)的測試系統(tǒng)，其特征在于:所述射頻電路部分輸出幅度相關(guān)信號以及相位相關(guān)信號；所述ARM開發(fā)板包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理模塊、場文件儲存模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。
【文檔編號】G01R27/26GK103913640SQ201410049841
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】文舸一, 蔣佳佳, 王峰 申請人:南京信息工程大學(xué)