基于諧振腔體法的材料電磁參數(shù)測試

摘要：本文介紹了一種全新的分裂圓柱體諧振腔體，并且以聚四氟乙烯的測量為例，詳細(xì)介紹了采用這種腔體完成介質(zhì)材料測試的具體過程。此項方法具有精度高、操作簡單的特點，最適合于襯底, 薄膜, PCB等材料的測量，并且遵循IPC測試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。

關(guān)鍵詞：諧振腔體;材料測量;電磁參數(shù);網(wǎng)絡(luò)分析儀

引言

　　近年來，隨著射頻微波技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天、通信技術(shù)與信息技術(shù)等高科技領(lǐng)域?qū)ι漕l微波元器件的要求也隨著提高，使得射頻微波材料在這些領(lǐng)域起到了越來越重要的作用。對于射頻微波材料來說，電磁波在其中的傳播完全由材料的電磁參數(shù)決定，在應(yīng)用各種射頻微波材料時，必須通過測試了解其電磁參數(shù)。在各種射頻微波器件，微波與毫米波集成電路底板等大量應(yīng)用射頻微波材料的領(lǐng)域，設(shè)計對象的研究和設(shè)計都需要準(zhǔn)確的材料電磁參數(shù)。

　　材料的電磁參數(shù)指復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，其中主要集中于其介電特性的研究，有關(guān)材料磁特性的測量只占少數(shù)，所以本文只討論復(fù)介電常數(shù)的測試。測量材料復(fù)介電常數(shù)的方法有很多，主要分為傳輸反射法和諧振腔體法。其中傳射反射法實質(zhì)是利用所測出的樣品的反射和傳射系數(shù)得到復(fù)介電常數(shù)或復(fù)磁導(dǎo)率，根據(jù)所用夾具的不同，又分為同軸空氣線法、波導(dǎo)法、自由空間法和同軸探頭法，同軸探頭法一般用來測量液體或者半固體例如粉末，被測件的損耗較大;同軸空氣線和波導(dǎo)法一般用來測量片狀固體或者粉末狀固體，被測物質(zhì)為損耗至低損，這兩種方法對被測件的機械加工能力要求都比較高，被測物質(zhì)的截面必須和空氣線或波導(dǎo)的軸線垂直，而且被測物質(zhì)與空氣線或波導(dǎo)之間最好是完全接觸，否則會產(chǎn)生一定的測量誤差;自由空間法一般是利用聚焦喇叭天線或者拱形門來完成測量，要求被測件是大的平面細(xì)狀固體，而且尺寸越大越好，最好是十個波長以上，特別適合于高溫物質(zhì)測量或者其他非接觸性物質(zhì)的測量。

　　而諧振腔體法的原理是將材料樣品放入封閉或者開放的諧振腔體中，根據(jù)放入前后其諧振頻率和品質(zhì)因子Q值的變化來確定樣品復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，通常是將樣品置于諧振腔中電場最小磁場最大處測量樣品的復(fù)介電常數(shù)，將樣品置于諧振腔中電場最小磁場最大處測量樣品的復(fù)磁導(dǎo)率。這種方法目前具有最高的測量精度，尤其適合于低損耗物質(zhì)的測量，缺點是無法支持寬帶的材料測量。

諧振腔腔體法的工作原理

　　諧振腔體通常具有很高的Q因子，并且在特定的頻率發(fā)生諧振。如果將一材料樣品放入腔體中，將會改變腔體的諧振頻率和品質(zhì)因子。通過這兩個參數(shù)值的變化，可以得到材料樣品的復(fù)介電常數(shù)或者復(fù)磁導(dǎo)率。腔體的種類有很多種，具體的實現(xiàn)方法也不少，這里以使用的比較廣泛的腔體微擾法為例，作個說明。此種方法已經(jīng)成為美國材料測試協(xié)會的一種標(biāo)準(zhǔn)，方法號為ASTM2520。該方法使用的是兩端連有Iris耦合平板的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)腔體的主模為，具體測量時，如果材料樣品為介電特性，需把樣品置于腔體電場最大處，如果為磁性材料，則把樣品至于磁場最大處。如果矩形波導(dǎo)腔體在波長中間處開了一小孔，則半波長的奇數(shù)倍將對于于最大電場，半波長的偶數(shù)倍對應(yīng)于最大磁場。

　　,

　　其中為樣品相對介電常數(shù)的實部，為樣品相對介電常數(shù)的虛部，為空腔體的諧振頻率，為腔體加入樣品后的諧振頻率， 為空腔體的品質(zhì)因子，為腔體加入樣品后的品質(zhì)因子， 為空腔體的體積，為樣品的體積。

分裂圓柱體諧振腔體的介紹

　　盡管基于ASTM2520的腔體微擾法原理簡單，但是由于直接的腔體不多，通常需要經(jīng)過矩形波導(dǎo)和Iris耦合平板重新加工后得到，并且這種矩形波導(dǎo)腔體的品質(zhì)因子也不是很高，這樣的話在測量低損耗物質(zhì)時會存在一定的限制。

　　基于這種情況，安捷倫公司推出了一種圓柱體的諧振腔體，型號為85072A。這個諧振腔體由左右各半個圓柱體腔體構(gòu)成，樣品放在兩個半圓柱體之間，一個半圓柱體腔體是固定的，另一個半圓柱體腔體可以根據(jù)樣品的厚度來調(diào)整兩個半圓柱體腔體之間的間隙。為了得到主模，在每個半圓柱體腔體的側(cè)面通過打孔連到一個小的耦合環(huán)。在這個圓柱體諧振腔體中，電場方向平行于樣品的截面，垂直于圓柱體腔體的軸線。為了得到最高的靈敏度，樣品需要放置在電場最大處，由于

　　圓柱體本身的對稱性，腔體工作在模式時電場具有最大的強度(其中p是半波長的數(shù)目，為奇數(shù))。

　　當(dāng)把樣品放置在兩個半圓柱體腔體之間時，圓柱體腔體的諧振頻率會發(fā)生偏移，并且往往是比空腔體時的諧振頻率低。諧振頻率的偏移程度取決于相對介電常數(shù)的實部和樣品的厚度，通過改變樣品的厚度，可以得到特定的測量頻率，當(dāng)然也有可能頻率偏移至一定程度后，受到其他非TE模式的干擾信號，造成測量精度降低，這時候只能通過再次增加或減少樣品的厚度來減少其他干擾模式。圖1列出了

　　樣品諧振頻率、相對介電常數(shù)和樣品厚度之間的關(guān)系。

圖1 樣品諧振頻率、相對介電常數(shù)和樣品厚度的關(guān)系

　　當(dāng)材料樣品放入兩個半圓柱體腔體之間時，分裂圓柱體腔體的品質(zhì)因子，或者Q因子會降低，降低的程度取決于樣品的損耗正切和厚度。厚的樣品或者損耗較大的樣品都會使得品質(zhì)因子下降太快，從而導(dǎo)致諧振腔體無法正常工作，完成不了測量，將材料樣品變薄可以增加品質(zhì)因子，但某些物質(zhì)損耗太大，樣品變薄也不一定能使腔體正常工作，因此我們一般建議分裂圓柱體測量低損耗物質(zhì)，。

　　需要說明的是，這款諧振腔體85072A遵循IPC測試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。

諧振腔體法的具體測量過程

　　在進(jìn)行測量之前，先逆時針粗調(diào)旋轉(zhuǎn)游標(biāo)卡尺，使得游標(biāo)卡尺一側(cè)的半圓柱體腔體盡量靠近左邊固定住的半圓柱體腔體，然后細(xì)調(diào)游標(biāo)卡尺，使得兩個半圓柱體腔體緊緊連在一起，又不會擠壞，這個時候把游標(biāo)卡尺的讀數(shù)置零。之后，調(diào)節(jié)腔體上方的前后兩個旋鈕盤，可以通過調(diào)整跟腔體相連的耦合環(huán)來改變腔體內(nèi)的耦合強度，最開始時只需把跟耦合環(huán)上的螺栓調(diào)到中心刻度就可以了。

　　這次測量所采用的儀表是安捷倫公司的PNA系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C，頻率范圍從10MHz至40GHz。啟動E8363C后，設(shè)置測量頻率范圍為10GHz~10.06GHz，測量S21，設(shè)定Scale為Autoscale。在矢網(wǎng)E8363C的測量界面將出現(xiàn)一諧振峰值，調(diào)節(jié)腔體上方的兩個旋鈕盤，使得峰值在-55dB和-65dB之間，建議為-60dB。

　　安捷倫提供了一型號為85071E的材料測量軟件，這個軟件可以單獨運行在基于Windows XP系統(tǒng)的E836C上，也可以運行在外部電腦上，然后外部電腦可以通過USB/GPIB卡 82357或者網(wǎng)線控制矢網(wǎng)E8363C完成相關(guān)測量。

　　這個腔體測量軟件簡單易用，首先是對空腔體進(jìn)行測量，會得到空腔體的諧振頻率和品質(zhì)因子，諧振頻率應(yīng)該在10GHz和10.06GHz之間，品質(zhì)因子為20000以上。點擊測量后，S21的峰值應(yīng)該在-55dB和-65dB之間，一般取-60dB，所以如果遠(yuǎn)離這個范圍，會出來如圖5所示的消息對話框，提示我們順時針或逆時針調(diào)節(jié)腔體上的旋鈕盤，使得S21的峰值達(dá)到-60dB，當(dāng)箭頭指示符消失時，說明已經(jīng)調(diào)節(jié)好了，結(jié)果顯示如圖4所示。

　　本例中所測量的材料為一塊狀聚四氟乙烯，厚度可用85072A腔體自帶的游標(biāo)卡尺方便的測出，為1.533mm，游標(biāo)卡尺的精度可達(dá)0.001mm。對于85072A諧振腔體來說，要求被測樣品表面是平的，長、寬大于5.6cm，厚度介于0.05mm和5mm之間。

　　最后，點擊測量后，就可以得到插入樣品后的諧振腔體的諧振頻率以及品質(zhì)因子，然后軟件就會自動算出樣品的相對介電常數(shù)的實部和虛部，以及損耗正切，從圖4中我們可以得到聚四氟乙烯的相對介電常數(shù)實部，虛部，損耗正切?？梢钥闯鰜?，85072A諧振腔體的測量精度很高，一般來說，針對主模，的精度為1%，損耗正切的精度為0.0001。

圖2 帶有游標(biāo)卡尺的85072A諧振腔體

圖3 提示調(diào)節(jié)旋鈕盤

結(jié)語

　　本文介紹了一種全新的分裂圓柱體諧振腔體，并且以聚四氟乙烯的測量為例，詳細(xì)介紹了采用這種腔體完成介質(zhì)材料測試的具體過程。此項方法操作簡單、精度高，的精度為1%，損耗正切的精度為0.0001，最適合于襯底、薄膜、PCB等材料的測量，并且遵循IPC測試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。

圖4 基于矢網(wǎng)E8363C的85072A腔體測量設(shè)置

圖5 基于85071E材料測量軟件的測量結(jié)果

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