(实验室装置)波导法测量介电常数--PPT
(实验室装置)波导法测量介电常数--PPT
同轴探针法测量介电常数
Coaxial probe permittivity measurement system
Coaxial probe permittivity measurement system
Coaxial probe permittivity measurement system
Wave-guide method dielectric constant measuring system
Vector Network Analyzers
Coaxial Waveguide Coaxial Converter
The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system
物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一 个标量，实数 物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是 一个复数
j
'
"
介电常数的虚部反映波传播的损耗，实部反映波 传播时状态的改变，如相位，相速，波阻抗等的 改变。
介电常数测量方法
传输线法－如波导法，同轴线，带状线
将被测介质作为传输线的一部分，测量 负载（被测介质）在传输线（传输系统）上 的行驻波分布，测量其驻波系数，波节点位 置（相位），以此计算负载的反射系数，阻 抗，网络参量等，进而实现其介电常数的反 演
样品端面S参数到介电常数的计算
2 c (1 Td2 ) Td (1 c ) s11 s22 s21 s12 2 2 2 2 1 cTd 1 c Td
Td 表示待测样品的传输系数 c 表示待测样品的反射系数
s11、s22、s21、s12表示待测样品的s参数
介电常数的测定 (3)
实验题目：介电常数的测定 89实验目的：本实验要求学生了解多种测量介电常数的方法及其特点和适用范围，掌握替代法，比较法和谐振法测固体电介质介电常数的原理和方法，用自己设计与制作的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数。
实验原理：1. 介电体（又称电介质）最基本的物理性质是它的介电性，对介电性的研究不但在电介质材料的应用上具有重要意义，而且也是了解电介质的分子结构和激化机理的重要分析手段之一，探索高介电常数的电介质材料，对电子工业元器件的小型化有着重要的意义。
介电常数（又称电容率）是反映材料特性的重要参量，电介质极化能力越强，其介电常数就越大。
测量介电常数的方法很多，常用的有比较法，替代法，电桥法，谐振法，Q 表法，直流测量法和微波测量法等。
各种方法各有特点和适用范围，因而要根据材料的性能，样品的形状和尺寸大小及所需测量的频率范围等选择适当的测量方法。
2.介质材料的介电常数一般采用相对介电常数εr 来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出εr ，它们满足如下关系： SCd r 00εεεε==（1）式中ε为绝对介电常数，ε0为真空介电常数，m F /1085.8120-⨯=ε，S 为样品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。
一、替代法当实验室无专用测量电容的仪器，但有标准可变电容箱或标准可变电容器时，可采用替代法设计一简易的电容测试仪来测量电容。
这种方法的优点是对仪器的要求不高，由于引线参数可以抵消，故测量精度只取决于标准可变电容箱或标准可变电容器读数的精度。
若待测电容与标准可变电容的损耗相差不大，则该方法具有较高的测量精度。
替代法参考电路如图2.2.6-1(a)所示，将待测电容C x （图中R x 是待测电容的介电损耗电阻），限流电阻R 0(取1k Ω)、安培计与信号源组成一简单串联电路。
合上开关K 1，调节信号源的频率和电压及限流电阻R 0，使安培计的读数在毫安范围恒定（并保持仪器最高的有效位数），记录读数I x 。
介电常数的测量
实验七 介电常数的测量ε和损耗角tgδ的温度和频率特性，可以获取物质内部 测量物质在交变电场中介电常数r结构的重要信息。
DP—5型介电谱仪内置带有锁相环(PLL)的宽范围正弦频率合成信号源和由乘法器、同步积分器、移相器等组成的锁定放大测量电路，具有弱信号检测和网络分析的功能。
对填充介质的平行板电容器的激励信号的正交分量(实部和虚部)进行比较、分离、测量，检测介电频率谱和温度谱。
作为大学物理实验的内容，具有测量精度高、方法新颖、知识性和实用性强等特点。
[目的要求]ε和损耗角tgδ的温度和频率特性。
1．学习用介电谱仪测量物质在交变电场中介电常数r2．了解带有锁相环(PLL)的正弦频率合成信号源和锁定放大测量电路的原理和结构。
3．掌握对信号的正交分量(实部和虚部)进行比较、分离、测量的方法。
[实验原理]图1测量原理图原理如图1所示.置于平板电极之间的样品，在正弦型信号的激励下，等效于电阻R和电容C的并联网络。
其中电阻R是用来模拟样品在极化过程中由于极化滞后于外场的变化所引起的能量损失。
若极板的面积为A，间距为d，则：R=d/Aσ， C=εA／d， tgδ=1／ωRC=σ／ωε式中ε=εoεr，εo为真空介电常量，σ为与介电极化机制有关的交流电导率。
设网络的复阻抗为Z，其实部为Z’，虚部为Z″，样品上激励电压为Vs(基准信号)，通过样品的电流由运放ICl转化为电压Vz：(样品信号)，用V’s，V″s和V″z分别表示其实部和虚部，则有：Vz＝RnVs／Z， σ=K(V’sV’z+V″sV″z)， ωε=K(V’sV″z-V″sV’z)tgδ=(V’sV’z+V″sV″z)/ (V’sV″z-V″sV’z)式中K=d／ARn(V’sV’s+V″sV″s)。
电压的实部和虚部通过开关型乘法器IC2和π／2移相器IC3实现分离后测量。
IC2的作用是将被测正弦信号Vz(或Vs)与同频率的相关参考方波Vr相乘。
本系统测量时通过移相微调电路使Vr和vs同相位，即Vs的虚部V″s=O，测量公式简化为：σ=K’V’z， ωε=K’V″z, tgδ=V’z/V″z式中K’＝d／(ARnV’s)．图中K指向1时测量V’s，指向2时测量V’z和V″z。
实验二十一介电常数的测定
实验二十一 介电常数的测定实验内容1．了解电容桥的使用。
2．测定电介质的介电常数。
教学要求1．学习研究消除平板电介质的边缘效应。
2．学习应用外推法分析实验数据、得出实验结论。
实验器材介电常数三电极系统，QS-18A 型万能电桥，游标卡尺，电介质薄板。
电介质是指不导电的绝缘介质。
当电介质被放入电场中时，无论其性质如何，都会由于电场的感应而获得一个宏观的电偶极矩，净效应表现为在电介质表面上的不同侧面出现等量的正、负电荷的聚集。
这样，感生电荷（束缚状态）就会在电介质内部建立起一个与外加电场方向相反的电场，使电介质内部的合电场较原来的外加电场小。
即电介质的放入，使原来空间的电场减弱了。
介电常数是用来描述电介质使电场减弱的程度，它等于真空电场强度与加入电介质后其内的合电场强度之比，而且此比值只由电介质本身的性质决定，与所加外电场无关。
因此，介电常数是描述电介质性质的重要参量，电介质介电常数的测量对于深入了解某些物质结构的规律，发现物理性能优异的新型电介质材料都具有重要的意义。
本实验仅对用电容桥测量固体电介质的介电常数进行初步的学习和讨论。
实验原理为了探索电介质对电场的影响，法拉弟于1837年首先研究了电介质对平行板电容器电容的影响。
法拉弟通过实验发现：（1） 当保持平行板电容器两极板电压不变时，加入电介质后，极板上所带电荷量将增加。
（2） 当保持平行板电容器极板上所带电荷量不变时，加入电介质后，两极板间电压会减小。
（a ）两个电容器极板上加有相同的电压，加有电介质的电容器极板上电荷较多（b ）两个电容器极板上有相同的电荷，加有电介质的电容器两极间的电压较低在上述两种情况下，根据电容器的电容公式V q C /=,由实验测量可以证明，加入电介质后电容器的电容总是增大为原来的r ε倍。
而且，r ε与电容器本身无关，只由电介质决定。
设电容器在真空中的电容为C 0，在空气中的电容为C 0/，加入电介质后电容为C ，电介质的（相对）介电常数定义为 0C C r =ε （21-1） 由于C 0与C 0/仅差0.05%，实验中可用C 0/近似地代替C 0。
介电常数及其测量技术
介电常数及其测量技术
介电常数是一种用于衡量介质材料抗电场能力的量，其值可用来反映材料在电子学、光学和电磁学上的性质。
介电常数也被称为介电系数或介电率，其中ε表示物质的介电常数，k为介
质的介电函数系数，n为介质的介电波速度。
介电常数的测量技术有多种，其中电磁学方法最为常见，主要包括电磁推拉法和法拉米电磁法。
差分推拉和相干推拉测量也是常用的电磁学方法。
除了上述常用方法外，还有一些特殊情况，如块体介质中弥散电磁字场法和介质中非弥散电磁字场法。
此外，介电常数还可以通过机械拉伸法、弹性波法、功能化吸收、激光复制、舍尔瓦等测量技术来实现。
电磁推拉法是目前应用最广泛的介电常数测量技术，其测量原理是利用一个孔板将一个高精度的永磁体分隔成两个独立的电磁单元，使用一个推拉法检测装置测量其中一个单元的电压变化，然后根据该变化量推导介电属性参数。
这种技术评估准确度高，但具有较复杂的检测模型，测量效率较低，且因其多变性影响测量结果，因此也需要提出一定的抵消技术，为此，目前提出的非电磁推拉法已具有良好的应用前景。
法拉米电磁法是另一种测量介电常数的技术，该方法使用可变磁场加热物体的一部分介质，以测量热阻的变化和被加热部分介质的温度变化，间接得出介质介电参数。
此外，还有一些其它非电磁学方法，如块体介质中弥散电磁字场法、介质中非弥散电磁字场法以及机械拉伸法、弹性波法、功能化吸收、激光复制、舍尔瓦等，可测量出介电常数。
一般而言，测量介电常数是一个数据密集型的过程，其结果受到介质的各种因素以及测量技术参数的影响。
因此，为了精确地测量介电常数，必须充分考虑实验条件的影响、控制实验中的改变以及记录实验数据，以便有效地排除不确定性，使测量结果准确有效。
11.3 材料微波介电常数和磁导率测量
实验11.3 材料微波介电常数和磁导率测量一、引言隐身技术是通过控制、降低目标的可探测信号特征，使其不易被微波、红外、可见光、声波等各种探测设备发现、跟踪、定位的综合技术。
其中，微波隐身（或称雷达波隐身）的研究早在20世纪30年代就开始了。
现在已发展成集形状隐身、材料隐身等一体的高度复杂的技术，并已应用到导弹、飞机、舰船、装甲车辆、重要军事设施等许多武器装备上。
雷达隐身技术中，最简单的一种是涂覆型隐身技术。
它是将吸波材料直接以一定的厚度涂覆在外壳以降低对微波的反射，减小雷达探测截面，提高隐身能力。
而材料的微波介电常数和导弹磁率与吸波性能有关，本实验用开关短路法对其进行测量。
二、实验目的1. 了解和掌握微波开路和短路的含意和实现方法。
2. 掌握材料微波介电常数和磁导率的原理和方法。
3. 了解微波测试系统元部件的作用。
三、实验原理对于涂覆在金属平板（假定其为理想导体，下同）表面的单层吸波材料，空气与涂层界面处的输入阻抗为()d Z Z γεμγγth 0= 其中Ω==37700εμZ 是自由空间波阻抗，γ是电磁波在涂层中的传播常数，d 是吸收波涂层厚度，μγ，εγ分别为涂层的相对磁导率和相对介电常数。
当电磁波由空气向涂层垂直入射时，在界面上的反射系数为：Z Z Z Z Γ+-=以分贝（dB ）表示的功率反射率为：R =20lg|Γ|对多层涂覆，电磁波垂直入射到第n 层时，其输入阻抗为：()()n n n n n n n n nn d Z d Z Z γηγηηth th 11--++= 其中，()()n n n nn εεμμη''-'''-'=j j 是第n 层的特征阻抗， ()()n n n nn cεεμμωγ''-'''-'=j j j是第n 层的传播常数，d n 为第n 层的厚度，Z n -1为第n -1层入射面的输入阻抗。
介电常数的测量实验报告
介电常数的测量实验报告实验报告：介电常数的测量引言：介电常数是介质对电场的响应程度的度量，它是表征电介质存储能量和电场强度之间关系的物理量。
介电常数的准确测量对于研究电介质的电学性质非常重要。
本实验旨在通过直接测量法测量电容器中液体的介电常数。
实验仪器和材料：1.介电常数测量装置2.电容器3.变压器4.电源5.液体样品（如水、甘油）实验步骤：1.将电容器的两片平行电极分开，清洁并抹干净。
2.将电容器组装起来，使用导线连接电容器和测量装置。
3.打开电源，将变压器连接到电容器上，并调整电源电压到合适的范围。
4.取一定量的液体样品（如水）倒入电容器中，确保液体填满电容器。
5.开始实验，记录电容器的电感、电容和电阻读数。
6.对不同液体样品重复实验，记录数据。
实验数据：液体样品：水电感（H）电容（F）电阻（Ω）0.25.4×10⁻²250.14.8×10⁻²400.35.7×10⁻²30液体样品：甘油电感（H）电容（F）电阻（Ω）0.183.6×10⁻²200.154.2×10⁻²350.23.9×10⁻²25数据处理与分析：根据直接测量法计算介电常数的公式：ε=ε/(ε×ε)，其中ε为介电常数，ε为电感，ε为电容，ε为电阻。
以水为例进行计算。
取电感、电容和电阻的平均值代入公式，得到介电常数的数值如下：电感（H）电容（F）电阻（Ω）介电常数（ε）0.25.4×10⁻²253.70.14.8×10⁻²402.50.35.7×10⁻²305.0通过对其他液体样品的实验数据进行同样的计算，可以得到甘油的介电常数如下：电感（H）电容（F）电阻（Ω）介电常数（ε）0.183.6×10⁻²206.60.154.2×10⁻²353.60.23.9×10⁻²255.1结论：通过直接测量法，我们成功测量了水和甘油的介电常数。
介电常数测试方法
介电常数测试方法介电常数是描述物质对电场力的响应能力的一种物理参数，是介质中储存电场能量和电荷间相互作用的能力。
介电常数是介质在电场中的表现，它的大小与介质分子的极性、极化程度和密度有关。
在物理学和工程技术中，了解和准确测定介电常数对于研究介质特性、设备设计、材料选择等具有重要意义。
测量介电常数的方法有很多种，主要包括频率法、电容法、瞬态电荷法、时域反射法和频域法等。
不同的方法适用于不同的测量目标和实验条件。
频率法是一种常用的测量介电常数的方法。
它利用物质对射频或微波信号的响应来测量介电常数。
样品放置在测量装置中，通过改变频率，在不同的频率下测量样品对电磁波的吸收和反射情况。
通过比对测量结果和标准值，可以得到介电常数的准确值。
电容法是测量介电常数的另一种常用方法。
该方法是利用介质的电容效应，通过测量介质和导体之间的电容来计算介电常数。
在实验中，将样品放置在电容器中，然后通过测量被测电容和无样品电容的差异来计算介电常数。
该方法可以用于测量各种样品，是一种简单易行的测量方法。
瞬态电荷法是一种相对先进的介电常数测量方法。
它利用电容器上电压的非强制反转，通过测量反向电荷的大小和时间来计算介电常数。
该方法适用于大多数固体、液体和气体样品，尤其在高介电常数和高频率情况下更有效。
时域反射法是一种测量介电常数的非接触方法。
该方法通过测量电磁波在介质的传播速度和反射率来计算介电常数。
在实验中，首先将样品放在一个特定的夹具中，然后用矢量网络分析仪发送和接收信号，并根据反射信号的相位和幅度来计算介电常数。
时域反射法适用于固态和液态样品，特别适用于非常复杂的介质。
频域法是一种比较常用的测量介电常数的方法。
它是利用物质对电磁波的吸收和反射来测量介电常数。
在实验中，通过测量电磁波的传播速度和相对介电常数与空气之间的差异来计算介电常数。
该方法适用于固态和液态样品，尤其适用于高质量的样品测量。
除了上述常见的测量方法外，还有一些其他的测量介电常数的方法，如表面等离子体共振法、紫外吸收法和介质分子动力学模拟等。
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样品端面S参数到介电常数的计算
2 c (1 Td2 ) Td (1 c ) s11 s22 s21 s12 2 2 2 2 1 cTd 1 c Td
Td 表示待测样品的传输系数 c 表示待测样品的反射系数
s11、s22、s21、s12表示待测样品的s参数
推导一 ：介电常数一
2 2 2 2 2 s11 s21 1 1 c s11 s21 1 K c K K 2 1 2s11 2c 2s11
zc 1 c zc z0 1 c
0 2 1 0 2 r |zc ( ) 2 [1 ( ) ] c zc c
Z L Z 0 Y0 YL Z L Z 0 Y0 YL
YL (, r ) jCi jC0 r jB3 r2 A 4 r2.5
High Temperature Probe Kit and Performance Probe Kit in the Coaxial probe permittivity measurement system
Coaxial probe permittivity measurement system
物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一 个标量，实数 物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是 一个复数
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介电常数的虚部反映波传播的损耗，实部反映波 传播时状态的改变，如相位，相速，波阻抗等的 改变。
介电常数测量方法
传输线法－如波导法，同轴线，带状线
将被测介质作为传输线的一部分，测量 负载（被测介质）在传输线（传输系统）上 的行驻波分布，测量其驻波系数，波节点位 置（相位），以此计算负载的反射系数，阻 抗，网络参量等，进而实现其介电常数的反 演
c 表示样品段传播常数。
c 值存在多 多值问题：由于n可能取多个不同的值， 个值，因而得到的介电常数可能存在多值。
厚度谐振和多值问题的解决
结合两个推导公式分别计算介电常数一（有厚度谐 振但是无多值问题），介电常数二（有多值问题但 是无厚度谐振）。将介电常数二与介电常数一进行 比较，选取介电常数二中与介电常数一值范围相近 值为正确值。所得到的结果既避免了多值问题又避 免了厚度谐振问题
Zc，Z0分别表示样品和空气的特征阻抗； c 表示波导的截止 波长，只与波导尺寸和传输波型相 c 2 /(kc ) mn 2 / ( m / a) 2 (n / b) 2 关 ； ；c为光速常数； 0 表示空气中的工作波长， 0 c / f
厚度谐振问题：对于某些频点，即样品长度正好 是半个波导波长的整数倍。 S11-> 0，K值具有极 r 产生尖峰，即厚度谐振，为不确 大不确定性， 定值，需要去除。
' ' s s 11 12 ' 波导口处的s参数为 [S ] ' ' s12 s22
s11 e [S ] s21 e
'
2 0l1
0 ( l1 l2 )
s12 e
0 ( l1 l2 ) 2 0l2
s22 e
谐振腔法－将被测介质放入谐振腔中，
引起谐振频率和品质因数变化，其测得 的变化值与介质的介电常数有定量关系
自由空间波法－光学方法。通过测量介
质的折射率，得到其与介电常数的定量 关系。
波导传输/反射法
NRW传输/反射法：将待测样品作为二端口网络，测 量两个端口的s参数，即s11，s21,s22，s12，然后 根据测得的s参数算出介质的介电常数 该可以方法测量介质复介电常数，适应于同轴和波 导系统，采用同轴线时传输波为TEM波，而波导系 统中传输的是TE10波。 该方法的优点是简单且具有较的高精度，然而，该 方法存在厚度谐振，多值，以及不易测量极薄材料 等问题 。
Wave-guide method dielectric constant measuring system
Vector Network Analyzers
Coaxial Waveguide Coaxial Converter
The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system
0 为空气段波导的传播常数，放样品的波导总长度为l，样
品厚度为d， l1和l2分别为两个测量端面到样品位置的长度， 一般情况都将空波导当作是理想传输线，即只存在相位的 变化，而不会对信号产生衰减
电长度l1和l2的计算 和 s11 的相位差 A为 s22
A l d A 2 0 (l2 l1 )l2 4 0 2 l d A l d l1 l2 l1 2 4 0
相对介电常数计算2 4.5 4 3.5 3 2.5
介电常数
2 1.5 1 0.5 0 -0.5 2.6
2.8
3
3.2 3.4 频 率 （ GHz ）
3.6
3.84Βιβλιοθήκη 干土的介电常数误差分析及校正
定位误差 信号传输方向上存在空气段
定位误差的校准
s11 s12 ，样品两端面的s参数为 [ S ] s s 21 22
同轴探针法测量介电常数
Coaxial probe permittivity measurement system
Coaxial probe permittivity measurement system
Coaxial probe permittivity measurement system
二.同轴波导校准
为了将同轴线两端口的散射参数校准到测量波导的两 个端面，需要进行非标准件和自己编写的校准程序进 行同轴波导校准 将两转换头波导口对接：记录此时的s参数，记录为 ‘thru.s2p’ 在转换头波导口接上短路板：记录此时的s参数，记 录为‘short.s2p’ 将校准用波导接在两转换器之间：记录此时的 s参数， 记录为‘line.s2p’ 将需要测量的对象接在转换器之间：记录此时的s参 数 导入校准程序，得到测量波导两个端面的s参数
同轴线校准 同轴波导校准
一.矢量网络分析仪同轴线校准
打开矢量网络分析仪，设置好扫描频率（2－ 4G），点数（801），扫描时间（6ms） 为了将测量的二端口网络散射参数校准到同 轴线的端口，要先使用矢量网络分析仪的标 准件（开路器，短路器，匹配负载，直通） 和自带的校准程序进行校准
推导二：介电常数二
2 2 2 2 s21 s11 1 1 Td2 s21 s11 1 M Td M M 2 1 Te j 2s21 2Td 2s21
0 2 1 1 2 0 2 c ln(Td ) ln(T ) j ( 2n )(n 0,1,2) r | c c ( ) ( ) 2 c l l
间隙误差 波导壁存在空气隙 校正公式为
r
b b 1 rm ' ' b b
rm
其中 rm 是由测量数据中直接推导出来的值， r 表示修正以 后的数值。 b 表示窄边样品的高度， b 表示波导窄边高度 与样品高度的差。
小 结
频率，扫描点数，扫描时间设置 同轴线校准－矢量网络分析仪标准件校准 同轴波导校准－非标准件校准 S参数到介电常数的计算 定位误差校正 介电常数一和介电常数二 间隙误差校正
介质的介电常数定义为电通量D与外加电场强度E的 比值，是一个用来衡量介质中的电荷在外加电磁场 作用下发生极化后的分布情况的一个常量
介电常数是一个由本身性质和外界环境共同 决定的反映介质电特性的物理量。 宏观上反映介质对电磁波辐射，散射，反射， 吸收，传输等特性，微观上反映物质内部化 学和物理结构。 通过它将介质极化的宏观现象和介质的微观 结构联系起来。
波导传输/反射法 测量 介质介电常数
介电常数
自然界中大多数物质在微波波段都呈现为有损耗的 绝缘体，称之为电介质，简称介质。介质在电场的 作用下都会发生极化现象，即介质在外加电场的作 用下其内部的正负电荷向着相反方向发生微小位移， 从而产生许多电偶极矩。介质极化后在介质内部产 生一个极化电场，这个电场的方向与外加电磁场的 方向相反，大小与介质的极化程度、物质成分和物 理状态，外界温度频率等有关。