(实验室装置)波导法测量介电常数
介电常数测定
仪器和用具
交流电桥
DF2826数字电桥是带有 微处理器的智能型交流电 桥。通过操作【参数】按 键可选择测量L（电感）、 C（电容）和R（电阻）。 本实验选择测量电容，选 择后有对应的红色指示灯 点亮。测量电感或电容时， 在测试台的两个电极上会 有交流电压输出，交流电 压的频率由面板上的【频 率】按键 切换，可选择100Hz、 1kHz 或 10kHz。频率越高测量灵敏度越高， 因此本实验中选择10kHz，同样有对应的红色指示灯点亮。记录 时读取面板左侧显示器（DISPLAY A）的显示值（电容量），显 示值的单位由两显示器中间的红色指示灯提示。
• 4.电场强度 • 存在 界 面 极化时，自由离子的数目随电场 强度的增加而增加，其损耗指数最大值的 大小和位置也随此而变 • 在较 高 的 频率下，只要绝缘材料不出现局 部放电，相对介电常数和介质损耗E数与电 场强度无关，
影响因素
• 1.频率 • 只有 少 数 材料，如聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氟 乙烯等，在很宽的频率范围内相对介电常数和介 质损耗q数是基本恒定的，因而一般的绝缘材料必 须在它所使用的频率下测量介质损耗因数和相对 介电常数。 • 相对 介 电 常数和介质损耗因数的变化是由于介 质极化和电导而引起的，极性分子的偶极极化和 材料不均匀性导致的界面极化是引起上述变化的 主要原因
介电常数的测定
第二组
概念
• 绝缘材料的介电常数，是表示在单位电场理
绝缘 材 料 的相对介电常数是电极间 及其周围的空间全部充以绝缘材料时， 其电容Cx同样构型的真空电容器的电 容C。之比:
测试标准：GB1409-88
试样制备
测定 材 料 的相对介电常数，最好采用片状试样， 也可以采用柱状试样 在测 定 介电常数值时，最大的误差来自试样尺 寸的误差，尤其是厚度的误差，对于1%的精度 来说1.5 m m的厚度就足够了;对于更高的精度要 求则试样应更厚些‘
固体材料微波频段使用波导装置的电磁参数测量方法
固体材料微波频段使用波导装置的电磁参数测量方法引言在固体材料微波频段的应用中，准确测量材料的电磁参数是非常重要的。
电磁参数包括复介电常数、复磁导率和电导率，它们描述了材料对电磁波的响应。
波导装置被广泛应用于这一领域，它可以通过测量波导中的电磁场来确定材料的电磁参数。
本文将介绍固体材料微波频段使用波导装置的电磁参数测量方法。
一、波导装置基本原理波导是一种特殊的传输线，由金属导体包围，用于传输电磁波。
它可以提供一种较为稳定和保护的电磁场环境，并且它的传输特性与材料的电磁参数有关。
波导的基本结构包括金属导体和介质，其中介质通常是固体材料。
二、测量过程1.设计波导结构首先，需要选择合适的波导结构。
波导的形状和尺寸会直接影响到波导中的电磁场分布。
常见的波导结构有矩形波导、圆形波导和大功率波导等。
2.制备样品样品是材料测量的主体，制备样品需要考虑其尺寸和形状。
通常，样品的尺寸应当比波导截面尺寸小，以避免对波导的传输特性产生较大影响。
同时，样品需要能够稳定地固定在波导中。
3.安装波导装置将波导装置安装在测量平台上，确保波导的电磁场能够与样品充分接触。
波导装置的准直和定位也需要精确。
4.测量波导装置可以根据波导中电磁场的变化来测量材料的电磁参数。
一般而言，会通过向波导中耦合电磁波并测量反射和透射的方式来获取波导中电场和磁场的分布情况。
为了测量电磁参数（1）反射系数测量：通过连接光谱仪、频谱分析仪等仪器，对波导中的反射系数进行测量。
根据反射系数，可以得到电磁波在波导中的传输特性。
（2）透射系数测量：通过连接光谱仪、频谱分析仪等仪器，对波导中的透射系数进行测量。
透射系数可以提供关于材料电导率等参数的信息。
（3）计算电磁参数：根据测量到的反射系数和透射系数，可以使用适当的计算方法来计算材料的电磁参数。
常见的方法有逆滤波算法、模型匹配法和数值优化法等。
三、近年发展与展望随着微波技术的发展，固体材料微波频段使用波导装置的电磁参数测量方法也不断完善。
物理实验技术如何测量介质的介电常数
物理实验技术如何测量介质的介电常数介电常数是描述介质对电场的响应能力的物理量，它在电子和通信领域中有着非常重要的应用。
实验技术是测量介质的介电常数的关键，本文将探讨物理实验技术在介电常数测量中的应用和发展。
一、测量介质介电常数的基本原理和方法为了测量介质的介电常数，需要利用电场和介质之间的相互作用。
基本原理是将介质放置在电场中，通过测量电场的变化来确定介质的介电常数。
在实际应用中，有多种方法可以用于测量介电常数，下面介绍其中几种常用的方法。
第一种方法是测量平板电容器的电容值，介电常数可以通过电容值的变化进行计算。
这种方法简单易行，通常适用于介电常数较小的介质。
平板电容器的电容值可以通过传统的电路测量手段进行测量，或者利用微弱电荷传感器进行测量。
第二种方法是利用介质在电场中的极化现象来测量介电常数。
介质极化是指介质内部的电荷在电场作用下重新排列的现象，可以分为电子极化和离子极化。
通过测量介质内部极化电荷的变化或者介质极化向量的大小，可以计算出介质的介电常数。
第三种方法是利用电磁波的传播特性来测量介质的介电常数。
在电磁波传播过程中，介质对电磁波的速度和传播常数有影响，通过测量电磁波的传播速度和传播常数的变化，可以得到介质的介电常数。
这种方法通常应用于高频电磁波的测量中，如微波和光学领域。
二、物理实验技术的发展与应用随着科学技术的不断进步，物理实验技术在测量介质的介电常数中得到了广泛的应用和发展。
下面将介绍几种新兴的物理实验技术，并分析其在介电常数测量中的优势和局限性。
第一种技术是扫描探针显微镜技术。
通过在探针显微镜上附加电场控制系统，可以通过扫描探针对样品物理性质进行高分辨率的测量。
这种技术的优势在于可以实时观察样品的电极化过程，获得高分辨率的介电常数图像。
但是，该技术的局限性在于需要对样品进行处理，并且由于探针的尺寸限制，对大尺寸样品的测量有一定的限制。
第二种技术是介质谐振技术。
通过改变传感器与介质之间的物理接触，并利用谐振电路原理，可以测量介质的介电常数。
介电常数常用测量方法综述
介电常数常用测量方法综述一、引言介电常数是介质的电学性质之一，它是介质相对真空的电容率。
介电常数大小与物质分子极化程度有关，不同物质的介电常数也不同。
测量物质的介电常数是了解其电学性质和结构特征的重要手段。
本文将综述几种常用的介电常数测量方法。
二、静态法测量介电常数静态法是通过在外加恒定直流电场下测量材料两个平行板间的电容值，从而得到材料的介电常数。
实验中需注意控制温度、湿度等环境因素对实验结果影响。
三、交流桥法测量介电常数交流桥法是通过在高频交流场下测量样品与参考物两者间阻抗差值，进而得到样品的介电常数。
这种方法适用于高频范围内（10Hz~1GHz）。
四、微波共振法测量介电常数微波共振法利用谐振腔和微波源产生强烈的高频场，使样品受到较大激励后发生共振现象，通过调节谐振腔频率和检测信号的相位来测量样品的介电常数。
由于微波共振法具有快速、准确、非破坏性等优点，因此在材料科学研究中得到广泛应用。
五、时域反射法测量介电常数时域反射法是利用高速数字化技术和脉冲发生器，将脉冲信号传输到被测样品上，通过接收反射波的时间延迟和振幅变化来计算样品的介电常数。
该方法适用于介电常数较小（<5）的材料。
六、磁共振法测量介电常数磁共振法是一种非侵入性、无损伤性的方法，通过检测样品在强磁场下核自旋共振现象来测量其介电常数。
该方法适用于液体和固体材料。
七、总结不同的介电常数测量方法各具优缺点，选择合适的方法需要根据实际情况进行综合考虑。
在实验过程中需注意控制环境因素对实验结果影响，并重视数据处理和分析。
电介质介电常数的测量
电磁学实验
苏州大学物理实验教学中心
【仪器和用具】
5、十进频率计
频率计是测量交变信 号振动快慢的仪器。被 测信号从HF INPUT口输 入，RESOLUTION中对应 10Hz的键按下，显示器 上显示的值即为频率值， 单位为kHz，有指示灯 指示。
电磁学实验
苏州大学物理实验教学中心
【仪器和用具】
电磁学实验
6、游标卡尺
游标卡尺是用来精确测量物体长度的计量器具，可测量一般物体的长度、圆形 物体的外径、内径、容器或孔的深度。测量圆片的直径时，按图中的方位，先移动 副尺使卡口增大，放入被测物体，移动副尺使卡口卡住被测物体（用力适当），读 数时先确定副尺零刻度所对主尺的读数，再确定与主尺对齐的副尺刻度，副尺刻度 每一小格是0.02mm，副尺属于游标刻度，所以不能估读，将主尺和副尺的值相加即 为最终测量值。游标卡尺使用前应进行零位校准，即将副尺推到底，使两卡口接触， 记录主副尺刻度，该读数作为测量值的零位修正值。
电磁学实验
2、交流电桥
DF2826数字电桥是带有
微处理器的智能型交流电
桥。通过操作【参数】按
键可选择测量L（电感）、
C（电容）和R（电阻）。
本实验选择测量电容，选
择后有对应的红色指示灯
点亮。测量电感或电容时，
在测试台的两个电极上会 切换，可选择100Hz、 1kHz 或 10kHz。频率越高测量灵敏度越
检查电极千分尺的零位，将极板间距调到零，接近零位时要慢慢旋动顶部旋钮， 听到“咯、咯”声停止旋转，记录零位读数D0。 按图将固体介质测量电极连接到交流电桥的测试台上。调节极板间距D = 5.000mm （考虑零位修正）。
从交流电桥上记录极板间为空气时的电容 量C1 。将固体样品慢慢放入两极板之间，放 入样品时不得碰到上电极，以免改变极板间 距。记录放入样品时的电容量C2。反复将样 品取出及放入，重复三次记录C1和C2。 用千分尺测出样品的厚度t，用游标卡尺测出 样品直径d ，均应在不同位置重复测量三次。 有效位数的保留参见【仪器和用具】6、7。
介电常数检测
介电常数检测
介电常数是描述物质对电场的响应能力的物理量。
它表示了物质在电场作下相对于真空的电容性能。
介电常数可以通过实验测量来确定。
一种常见的方法是使用电容测量术。
这种方法涉及到备一个平行板容器，将待测物放置在两个平行金属板之间，并施加一个已知电压。
然后测量电器的电容值。
根据电容器的几何寸和电容值，可以计算出介电常数。
另一常用的方法是使用微波谐振腔。
这种方法利用微波谐振腔的电磁场与待测物质的互作用来测量介电常数。
通过改变谐振腔中的物质样品，可以观察到谐振频率的变化，并此计算出介电常数。
除这些方法，还有其他一些于声波、光学等原理的技可用于介电常数的测量具体选择哪种方法取决于待测物质的性质和测量要求。
介电常数及其测量方法概述
介电常数及其测量方法概述作者：秦鸿瑜来源：《科教导刊·电子版》2013年第18期摘要介质介电常数描述了电磁波与介质的相互作用及变化，为了划分不同介质，提出了采用介电常数来划分不同介质的的方法。
本文介绍了介电常数的基本知识及测量方法，介绍了实验室的几种测量方法：时域反射法（TDR）、空间波法、同轴线法、谐振环法，为实验测量提供参考。
关键词介电常数空间波同轴线中图分类号：TB30 文献标识码：A1 介电常数的基本概念2介电常数测量方法介电常数测量方法有传输线法、同轴线法、波导法、探针法、谐振腔法和空间波法。
实验室测量方法有时域反射法（TDR）、空间波法、探针法、同轴线法等。
传输线法简便易行，但在tan€%]€%^较小时，测得的介电常数误差较大；探针法使用结构简单的单极振子，通过传输、反射的测量得出谐振参数，反演得到介电常数；谐振腔法采用高品质因数的谐振腔体测量低损介质，技术复杂，不易操作；空间波法通过测量地面目标体的微波反射系数，再通过反射系数来求得复介电常数。
2.1 时域反射法时域反射法（TDR）类似于雷达系统，首先向待测物发射电磁波，通过记录分析反射波形来确定待测物的距离，进而判断待测物特性。
TDR信号中包含介电常数和电导率信息，一般被测物体的阻抗是连续的，信号没有反射，如果有阻抗变化，就会有信号反射回来，频率范围从1兆赫到几兆赫。
时域反射系统由一个信号发生器、传输线传感器和一个接收器组成。
根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，利用电磁波在探头中的旅行时间可得到介质的介电常数。
2.2 空间波法2.3 同轴线法2.4 谐振环法谐振环法是基于传输线理论得到介电常数变化的方法。
谐振环法可以通过反射信号和发送通过介质的信号来测量介电常数。
发送信号和接收反射信号这两种测量方法相比，发送信号测得介电常数变化更灵敏。
谐振传感器的测量精度相对较高，但与待测媒质的导电性密切相关。
3 总结本文介绍了介电常数的基本概念及几种测量方法，并对这几种常见的方法进行了分析和比较。
介电常数测试原理
介电常数测试原理
介电常数（Dielectric constant）是一个描述物质电介质特性的
物理量。
它表示了一种介质相对于真空（或其他参考介质）的电容性能。
在测试介电常数的实验中，首先需要制备一个被测物质的样品，这个样品可以是固体、液体或气体，具体的形式根据被测物质的性质而定。
接下来，需要使用一个电容器，这个电容器一般由两个平行的金属板组成，中间夹着被测介质样品。
两个金属板的距离可以根据实际需要进行调节。
在实验中，首先将电容器接入一个电源，使其形成一个电路。
然后，通过测量电容器中的电压和电容器上施加的电压之间的关系，就可以得到被测介质的介电常数。
具体而言，可以使用一个电容-电压测试仪或者其他电测设备来进行测量。
测量的原理是，介质中的电场会导致介质中的电子和离子移动，从而引起电极上的极化现象。
极化过程会在电极上产生一个额外的电荷，这个电荷与电极上施加的电势有关。
通过测量电容器的电压和施加在电容器上的电压，可以推导出被测介质的介电常数。
需要注意的是，在实际测量过程中，还需要考虑到被测介质的温度、湿度和压力等因素对介电常数的影响。
因此，在测量时，还需要保持一定的环境条件，并进行相应的修正计算，以获得准确的介电常数值。
总之，介电常数测试是通过测量电容器中电压和施加电压之间的关系，得到被测介质的介电常数的一种方法。
这种测试方法广泛应用于材料科学、电子工程等领域，为相关领域的研究提供了重要的实验数据。
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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
精品课件
推导一 ：介电常数一
s 1 2 1 2 s s 1 2 2 1 1 1 1 2 c c 2 K s 1 2 1 2 s s 1 2 2 1 1 1 c K K 2 1
Coaxial
Vector Network Analyzers
Waveguide
Coaxial Converter
精品课件
The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring
system
精品课件
同轴线校准 同轴波导校准
❖ 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 大不确定性， r 产生尖峰，即厚度谐振，为不确 定值，需要去除。
精品课件
推导二：介电常数二
s 2 2 1 2 s s 2 1 2 1 1 1 1 2 T T d d 2 M s 2 2 1 2 s s 2 1 2 1 1 1 T d M M 2 1 ln (T ) j( 2 n)(n 0 ,1 ,2 )r |c
c2(20 )2
(0)2 c
c 表示样品段传播常数。
多值问题：由于n可能取多个不同的值， c 值存在多 个值，因而得到的介电常数可能存在多值。
精品课件
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
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，
精品课件
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。
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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
zc
zc z0
1c 1c
r |zc(0c)2z1c2[1(0c)2]
Zc，Z0分别表示样品和空气的特征阻抗；
波长，只与波导尺寸和传输波型相
c
表示波导的截止
关
c 2/(k c)m n 2 /(m /a )2 (n /b )2
；
0 表示空气中的工作波长， 0 c / f ；c为光速常数；
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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
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二.同轴波导校准
❖ 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 。
精品课件
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Wave-guide method dielectric constant measuring system
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，得到测精量品课波件 导两个端面的s参数
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样品端面S参数到介电常数的计算
s11s22 1 c (1 c 2 T T d d 2 2)s21s12T 1 d (1 c 2 T d c 2 2)
精品课件
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
3.6
3.8
4
频 率 （ GHz）
干土的介精电品课常件数
误差分析及校正
❖ 定位误差 信号传输方向上存在空气段
精品课件
❖
定位误差的校准
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❖ 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。
精品课件
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
波导传输/反射法 测量
介质介电常数
精品课件
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。
❖ 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
精品课件
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。