专利名称：一种测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法
技术领域：
本发明属于微波测试技术领域，特别涉及高损耗电介质材料微波介电性能的测试技术。
背景技术：
高损耗(大于10_2)电介质材料如铁电材料、巨介电常数材料在微波频段有着重要的潜在应用前景，但其微波介电性能却难以精确测试。高损耗材料微波介电性能的测试方法主要包括反射法、反射-透射法及谐振腔体微扰法。对前两者而言，单个频率点下的散射参数被直接用于介电性能的计算，而随着介电常数的升高，散射参数对介电常数的变化越来越不敏感，故测试精度也随之急剧下降；谐振腔体微扰法则利用了微波谐振的特性，精度稍高，但由于未考虑引入试样导致的腔体内电磁场分布的变化，故同样无法保证介电常数较高时的测试精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法，该方法具有精度高、易实现变频测试的特点。本发明的测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法，使用高Q值圆柱形金属谐振腔测试，具体测试步骤如下(I)将圆柱形低损耗参考试样A放置于圆柱形金属谐振腔中的石英单晶支架C上，根据参考试样的尺寸和介电常数，利用有限单元分析计算TEtlis模式对应的谐振频率范围，并用矢量网络分析仪在此频率范围内找到谐振峰，记录谐振频率&及谐振频率fca附近散射参数Sllil随频率的变化，用曲线拟合法得到无载品质因子Qul ;(2)根据谐振频率4及参考试样A的尺寸，利用有限单元分析及迭代法计算参考试样A精确的介电常数ε u，根据有限单元分析得到的电磁场分布，由无载品质因子Qul计算得到参考试样A在谐振频率4处的介电损耗tan δ Α ;(3)将待测试样B放置于参考试样A上,参考试样A的尺寸大于待测试样B的尺寸，利用矢量网络分析仪记录谐振频率&及谐振频率附近散射参数Slll2随频率的变化，用曲线拟合法得到无载品质因子Qu2 ;(4)根据参考试样A及待测试样B的尺寸、介电常数ε u及谐振频率&，利用有限单元分析及迭代法计算待测试样B的介电常数ε u，根据有限单元分析得到的电磁场分布，由无载品质因子Qu2计算得到待测试样B在谐振频率处的介电损耗tan δ B ;(5)改变参考试样A的尺寸或介电常数，重复步骤(I) _(4)，实现待测试样B微波介电性能的变频测试。本发明中所述的低损耗指电介质材料的介电损耗小于10_3,高损耗指电介质材料的介电损耗大于10_2。本发明提供的测试方法利用了微波谐振法测试介电性能精度高的特性，并考虑了待测试样的引入对电磁场分布的影响，故可从测试原理上克服现有的反射法、反射-透射法及谐振腔体微扰法测试精度低的缺陷，从而实现高损耗材料微波介电性能的高精度测试。本发明中使用了较待测试样尺寸大的低损耗参考试样，是为了减小待测试样的高损耗对谐振系统总损耗的贡献，从而保证观测到谐振峰。同时，由于谐振频率主要由尺寸较大的参考试样决定，故可通过改变参考试样的介电常数及尺寸方便地实现变频测试。本发明能够对介电常数小于1000、介电损耗大于10_2的高损耗材料在1-20GHZ频率范围内的介电性能进行精确评价。介电常数与介电损耗的相对误差均在5%以内。
图I是圆柱形金属谐振腔的横截面示意图，其中，图(a)中只放置参考试样，图(b)中则同时放入参考试样及待测试样。图2是谐振频率附近散射参数随频率变化的示意图，其中实线为只放置参考试样 的情况，虚线为同时放入参考试样及待测试样的情况。
具体实施例方式TE015模式是圆柱形金属谐振腔最为重要的一种谐振模式，已被广泛应用于低损耗材料微波介电性能的精确测试中。此模式中的电场只有沿环向的分量Ee。在柱坐标系中，每一点的Ee均满足
「 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分别为填充介质的磁导率和介电常数，ω为角频率，f0为谐振频率，r、z分别表示径向和垂直方向的坐标。当腔体内所有填充材料的介电常数及尺寸已知时，利用有限单元分析等数值方法，并引入腔体金属壁处Ee=O的边界条件，可求解方程(I)。以谐振频率&为未知量的方程(I)有无限多个解，其最小值即为TEtlis模式对应的谐振频率，并可求得腔体内的电磁场分布。根据腔体内的电磁场分布，可得到每种介质的电能填充因子
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1 Si其中为介质的介电常数。谐振系统的无载品质因子Qu可表示为— = X tan iI + TT，()
id u iL-i其中tan δ i为介质的介电损耗，Q。为金属壁的品质因子,可由金属的表面电导率求得。本发明的测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法，步骤如下(I)将直径Da、厚度Ha的圆柱形低损耗参考试样A放置于圆柱形金属谐振腔中的石英单晶支架C上，如图1(a)所示。根据参考试样的尺寸和介电常数，利用有限单元分析计算TEtlis模式对应的谐振频率范围，并用矢量网络分析仪在此频率范围内找到谐振峰，记录谐振频率f(ll及谐振频率4附近散射参数S1U随频率的变化，如图2中的实线所示，用曲线拟合法得到无载品质因子Qul。(2)当腔体内只放置参考试样时，谐振系统的谐振频率4可表示为f01=gl(er,A，DA，HA)，(4)其中gl为由式(I)决定的函数，利用有限单元分析及迭代法计算参考试样A精确的介电常数~,4及对应的电磁场分布。石英单晶支架的介电损耗很低，可忽略不计，故此时式(3)可改写为
I IPe,A1 tan δ , = —~ —D) 根据有限单元分析得到的电磁场分布，由无载品质因子Qul计算得到参考试样A在谐振频率fw处的介电损耗tan δ Α。(3)将直径Db、厚度Hb的待测试样B放置于参考试样A上,待测试样B的尺寸小于参考试样�。缤糏 (b)所示。利用矢量网络分析仪记录谐振频率及谐振频率&附近散射参数S11,2随频率的变化，如图2中的虚线所示，用曲线拟合法得到无载品质因子Qu2。(4)腔体内同时放置参考试样和待测试样时，谐振系统的谐振频率&可表示为^02~§2 ( ε r,A> Da，Ha, ε r,B，Db, Hb)，(6)其中其中&为由式⑴决定的函数。同时，&通常只比^低几MHz，可认为参考试样A在^和处的介电常数和介电损耗相同，故可利用有限单元分析及迭代法计算待测试样B的介电常数ε 及对应的电磁场分布。此时式(3)可改写为
I IPe,A2 tan δΑ + Pc li2 tan S；j = -~ ,(7)根据有限单元分析得到的电磁场分布，由无载品质因子Qu2计算得到待测试样B在谐振频率&处的介电损耗tan δ Β。(5)改变参考试样A的尺寸或介电常数，重复步骤⑴_(4)，实现待测试样B微波介电性能的变频测试。实施例I对具有高介电损耗的BaTiO3铁电陶瓷的微波介电性能进行测试。待测试样B为直径2mm、厚度O. 2mm的BaTiO3陶瓷；低损耗参考试样A为直径12mm、厚度 I-5mm 的 Cau5Nda85Ala85Tiai5OpBa2Ti9O20 及 Bah85Sm41Ti9O24 陶瓷。测试结果如表I所示。表I
权利要求
1.一种测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法，其特征在于包括以下步骤 (1)将圆柱形低损耗参考试样A放置于圆柱形金属谐振腔中的石英单晶支架C上，根据参考试样的尺寸和介电常数，利用有限单元分析计算TEtlis模式对应的谐振频率范围，并用矢量网络分析仪在此频率范围内找到谐振峰，记录谐振频率fca及谐振频率fca附近散射参数S1U随频率的变化，用曲线拟合法得到无载品质因子Qul ； (2)根据谐振频率4及参考试样A的尺寸，利用有限单元分析及迭代法计算参考试样A精确的介电常数e ，根据有限单元分析得到的电磁场分布，由无载品质因子Qul计算得到参考试样A在谐振频率4处的介电损耗tan S A ; (3)将待测试样B放置于参考试样A上，参考试样A的尺寸大于待测试样B的尺寸，利用矢量网络分析仪记录谐振频率及谐振频率U附近散射参数S112随频率的变化，用曲线拟合法得到无载品质因子Qu2 ； (4)根据参考试样A及待测试样B的尺寸、介电常数h,A及谐振频率，利用有限单元分析及迭代法计算待测试样B的介电常数e ，根据有限单元分析得到的电磁场分布，由无载品质因子Qu2计算得到待测试样B在谐振频率处的介电损耗tan S B ; (5)改变参考试样A的尺寸或介电常数，重复步骤(I)_(4)，实现待测试样B微波介电性能的变频测试。
全文摘要
本发明公开了一种测试高损耗电介质材料微波介电性能的方法。该方法中使用小尺寸待测试样，并引入大尺寸、低损耗参考试样，从而减小待测试样高损耗的贡献、确保能观测到谐振峰。根据谐振腔中只放置参考试样及同时放置参考试样和待测试样时TE01δ模式谐振峰的变化，用有限单元分析模拟两种情况下电磁场的分布，即可得到待测试样在谐振频率处的介电常数和介电损耗。该方法利用了微波谐振法测试精度高的特性，并考虑了待测试样的引入对电磁场分布的影响，故可从测试原理上克服已有其它方法精度低的缺陷，实现高损耗材料微波介电性能的精确测试。同时，谐振频率主要由尺寸较大的参考试样决定，故可通过改变参考试样的介电常数或尺寸实现变频测试。
文档编号G01R27/26GK102798766SQ20121027505
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者李雷, 陈湘明 申请人:浙江大学
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