專利名稱：一種測試高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于微波測試技術(shù)領域，特別涉及高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的測試技術(shù)。
背景技術(shù)：
高損耗(大于10_2)電介質(zhì)材料如鐵電材料、巨介電常數(shù)材料在微波頻段有著重要的潛在應用前景，但其微波介電性能卻難以精確測試。高損耗材料微波介電性能的測試方法主要包括反射法、反射-透射法及諧振腔體微擾法。對前兩者而言，單個頻率點下的散射參數(shù)被直接用于介電性能的計算，而隨著介電常數(shù)的升高，散射參數(shù)對介電常數(shù)的變化越來越不敏感，故測試精度也隨之急劇下降；諧振腔體微擾法則利用了微波諧振的特性，精度稍高，但由于未考慮引入試樣導致的腔體內(nèi)電磁場分布的變化，故同樣無法保證介電常數(shù)較高時的測試精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測試高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的方法，該方法具有精度高、易實現(xiàn)變頻測試的特點。本發(fā)明的測試高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的方法，使用高Q值圓柱形金屬諧振腔測試，具體測試步驟如下(I)將圓柱形低損耗參考試樣A放置于圓柱形金屬諧振腔中的石英單晶支架C上，根據(jù)參考試樣的尺寸和介電常數(shù)，利用有限單元分析計算TEtlis模式對應的諧振頻率范圍，并用矢量網(wǎng)絡分析儀在此頻率范圍內(nèi)找到諧振峰，記錄諧振頻率&及諧振頻率fca附近散射參數(shù)Sllil隨頻率的變化，用曲線擬合法得到無載品質(zhì)因子Qul ;(2)根據(jù)諧振頻率4及參考試樣A的尺寸，利用有限單元分析及迭代法計算參考試樣A精確的介電常數(shù)ε u，根據(jù)有限單元分析得到的電磁場分布，由無載品質(zhì)因子Qul計算得到參考試樣A在諧振頻率4處的介電損耗tan δ Α ;(3)將待測試樣B放置于參考試樣A上,參考試樣A的尺寸大于待測試樣B的尺寸，利用矢量網(wǎng)絡分析儀記錄諧振頻率&及諧振頻率附近散射參數(shù)Slll2隨頻率的變化，用曲線擬合法得到無載品質(zhì)因子Qu2 ;(4)根據(jù)參考試樣A及待測試樣B的尺寸、介電常數(shù)ε u及諧振頻率&，利用有限單元分析及迭代法計算待測試樣B的介電常數(shù)ε u，根據(jù)有限單元分析得到的電磁場分布，由無載品質(zhì)因子Qu2計算得到待測試樣B在諧振頻率處的介電損耗tan δ B ;(5)改變參考試樣A的尺寸或介電常數(shù)，重復步驟(I) _(4)，實現(xiàn)待測試樣B微波介電性能的變頻測試。本發(fā)明中所述的低損耗指電介質(zhì)材料的介電損耗小于10_3,高損耗指電介質(zhì)材料的介電損耗大于10_2。本發(fā)明提供的測試方法利用了微波諧振法測試介電性能精度高的特性，并考慮了待測試樣的引入對電磁場分布的影響，故可從測試原理上克服現(xiàn)有的反射法、反射-透射法及諧振腔體微擾法測試精度低的缺陷，從而實現(xiàn)高損耗材料微波介電性能的高精度測試。本發(fā)明中使用了較待測試樣尺寸大的低損耗參考試樣，是為了減小待測試樣的高損耗對諧振系統(tǒng)總損耗的貢獻，從而保證觀測到諧振峰。同時，由于諧振頻率主要由尺寸較大的參考試樣決定，故可通過改變參考試樣的介電常數(shù)及尺寸方便地實現(xiàn)變頻測試。本發(fā)明能夠?qū)殡姵?shù)小于1000、介電損耗大于10_2的高損耗材料在1-20GHZ頻率范圍內(nèi)的介電性能進行精確評價。介電常數(shù)與介電損耗的相對誤差均在5%以內(nèi)。


圖I是圓柱形金屬諧振腔的橫截面示意圖，其中，圖(a)中只放置參考試樣，圖(b)中則同時放入?yún)⒖荚嚇蛹按郎y試樣。圖2是諧振頻率附近散射參數(shù)隨頻率變化的示意圖，其中實線為只放置參考試樣 的情況，虛線為同時放入?yún)⒖荚嚇蛹按郎y試樣的情況。
具體實施例方式TE015模式是圓柱形金屬諧振腔最為重要的一種諧振模式，已被廣泛應用于低損耗材料微波介電性能的精確測試中。此模式中的電場只有沿環(huán)向的分量Ee。在柱坐標系中，每一點的Ee均滿足
「 O1Ii0 C1E0 I a!i(,I ...^ + -―^ + -—)ΕΘ =0 ,(I)dr dz 一 r dr r其中β2=ω2μ ε = (2 π f0)2 μ ε，μ和ε分別為填充介質(zhì)的磁導率和介電常數(shù)，ω為角頻率，f0為諧振頻率，r、z分別表示徑向和垂直方向的坐標。當腔體內(nèi)所有填充材料的介電常數(shù)及尺寸已知時，利用有限單元分析等數(shù)值方法，并引入腔體金屬壁處Ee=O的邊界條件，可求解方程(I)。以諧振頻率&為未知量的方程(I)有無限多個解，其最小值即為TEtlis模式對應的諧振頻率，并可求得腔體內(nèi)的電磁場分布。根據(jù)腔體內(nèi)的電磁場分布，可得到每種介質(zhì)的電能填充因子
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1 Si其中為介質(zhì)的介電常數(shù)。諧振系統(tǒng)的無載品質(zhì)因子Qu可表示為— = X tan iI + TT，()
id u iL-i其中tan δ i為介質(zhì)的介電損耗，Q。為金屬壁的品質(zhì)因子,可由金屬的表面電導率求得。本發(fā)明的測試高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的方法，步驟如下(I)將直徑Da、厚度Ha的圓柱形低損耗參考試樣A放置于圓柱形金屬諧振腔中的石英單晶支架C上，如圖1(a)所示。根據(jù)參考試樣的尺寸和介電常數(shù)，利用有限單元分析計算TEtlis模式對應的諧振頻率范圍，并用矢量網(wǎng)絡分析儀在此頻率范圍內(nèi)找到諧振峰，記錄諧振頻率f(ll及諧振頻率4附近散射參數(shù)S1U隨頻率的變化，如圖2中的實線所示，用曲線擬合法得到無載品質(zhì)因子Qul。(2)當腔體內(nèi)只放置參考試樣時，諧振系統(tǒng)的諧振頻率4可表示為f01=gl(er,A，DA，HA)，(4)其中g(shù)l為由式(I)決定的函數(shù)，利用有限單元分析及迭代法計算參考試樣A精確的介電常數(shù)~,4及對應的電磁場分布。石英單晶支架的介電損耗很低，可忽略不計，故此時式(3)可改寫為
I IPe,A1 tan δ , = —~ —D) 根據(jù)有限單元分析得到的電磁場分布，由無載品質(zhì)因子Qul計算得到參考試樣A在諧振頻率fw處的介電損耗tan δ Α。(3)將直徑Db、厚度Hb的待測試樣B放置于參考試樣A上,待測試樣B的尺寸小于參考試樣Α，如圖I (b)所示。利用矢量網(wǎng)絡分析儀記錄諧振頻率及諧振頻率&附近散射參數(shù)S11,2隨頻率的變化，如圖2中的虛線所示，用曲線擬合法得到無載品質(zhì)因子Qu2。(4)腔體內(nèi)同時放置參考試樣和待測試樣時，諧振系統(tǒng)的諧振頻率&可表示為^02~§2 ( ε r,A> Da，Ha, ε r,B，Db, Hb)，(6)其中其中&為由式⑴決定的函數(shù)。同時，&通常只比^低幾MHz，可認為參考試樣A在^和處的介電常數(shù)和介電損耗相同，故可利用有限單元分析及迭代法計算待測試樣B的介電常數(shù)ε 及對應的電磁場分布。此時式(3)可改寫為
I IPe,A2 tan δΑ + Pc li2 tan S；j = -~ ,(7)根據(jù)有限單元分析得到的電磁場分布，由無載品質(zhì)因子Qu2計算得到待測試樣B在諧振頻率&處的介電損耗tan δ Β。(5)改變參考試樣A的尺寸或介電常數(shù)，重復步驟⑴_(4)，實現(xiàn)待測試樣B微波介電性能的變頻測試。實施例I對具有高介電損耗的BaTiO3鐵電陶瓷的微波介電性能進行測試。待測試樣B為直徑2mm、厚度O. 2mm的BaTiO3陶瓷；低損耗參考試樣A為直徑12mm、厚度 I-5mm 的 Cau5Nda85Ala85Tiai5OpBa2Ti9O20 及 Bah85Sm41Ti9O24 陶瓷。測試結(jié)果如表I所示。表I
權(quán)利要求
1.一種測試高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的方法，其特征在于包括以下步驟 (1)將圓柱形低損耗參考試樣A放置于圓柱形金屬諧振腔中的石英單晶支架C上，根據(jù)參考試樣的尺寸和介電常數(shù)，利用有限單元分析計算TEtlis模式對應的諧振頻率范圍，并用矢量網(wǎng)絡分析儀在此頻率范圍內(nèi)找到諧振峰，記錄諧振頻率fca及諧振頻率fca附近散射參數(shù)S1U隨頻率的變化，用曲線擬合法得到無載品質(zhì)因子Qul ； (2)根據(jù)諧振頻率4及參考試樣A的尺寸，利用有限單元分析及迭代法計算參考試樣A精確的介電常數(shù)e ，根據(jù)有限單元分析得到的電磁場分布，由無載品質(zhì)因子Qul計算得到參考試樣A在諧振頻率4處的介電損耗tan S A ; (3)將待測試樣B放置于參考試樣A上，參考試樣A的尺寸大于待測試樣B的尺寸，利用矢量網(wǎng)絡分析儀記錄諧振頻率及諧振頻率U附近散射參數(shù)S112隨頻率的變化，用曲線擬合法得到無載品質(zhì)因子Qu2 ； (4)根據(jù)參考試樣A及待測試樣B的尺寸、介電常數(shù)h,A及諧振頻率，利用有限單元分析及迭代法計算待測試樣B的介電常數(shù)e ，根據(jù)有限單元分析得到的電磁場分布，由無載品質(zhì)因子Qu2計算得到待測試樣B在諧振頻率處的介電損耗tan S B ; (5)改變參考試樣A的尺寸或介電常數(shù)，重復步驟(I)_(4)，實現(xiàn)待測試樣B微波介電性能的變頻測試。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測試高損耗電介質(zhì)材料微波介電性能的方法。該方法中使用小尺寸待測試樣，并引入大尺寸、低損耗參考試樣，從而減小待測試樣高損耗的貢獻、確保能觀測到諧振峰。根據(jù)諧振腔中只放置參考試樣及同時放置參考試樣和待測試樣時TE01δ模式諧振峰的變化，用有限單元分析模擬兩種情況下電磁場的分布，即可得到待測試樣在諧振頻率處的介電常數(shù)和介電損耗。該方法利用了微波諧振法測試精度高的特性，并考慮了待測試樣的引入對電磁場分布的影響，故可從測試原理上克服已有其它方法精度低的缺陷，實現(xiàn)高損耗材料微波介電性能的精確測試。同時，諧振頻率主要由尺寸較大的參考試樣決定，故可通過改變參考試樣的介電常數(shù)或尺寸實現(xiàn)變頻測試。
文檔編號G01R27/26GK102798766SQ20121027505
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者李雷, 陳湘明 申請人:浙江大學