(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。
微波法测介电常数
反射式速调管的结构原理图
反射式速调管K-27的结构和管座图
阴极发射电子经直流加速电压加速，以初速度v。通 过谐振腔栅网间隙驰向反射极。因反射极对阴极为负电 压，所以使电子减速，最后将发射电子折返穿过谐振腔 栅网。由于热扰动等原因，谐振腔栅网存在一高频交变 场,初速为v。的电子穿过栅网时将因受高频电场作用而 加速或减速，如图所示。
原理：
当把小样品放到谐振腔中时，会引起谐振腔的谐振腔 的谐振频率和品质因数的变化。如果样品很小，可以看成 一个微拢，假设：
1、放进样品后所引起的相对变化很小。令空腔的谐振频 率为 f0 放进样品后腔的谐振频率为 f ，有 | f f0 | 1 2、放进样品后，除样品所在处的电磁场发生变化外，腔 内其它其它的地方的电磁场保持不变，则可得不到谐振腔 的微拢公式：
当高频电场为正时，穿过栅网的
电子① 受到加速；高频场为负时，
穿过栅网电子③ 受到减速；而高
频场为零时，穿过栅网的电子② 速度不变，这就是速度调制。当电子群回到谐振腔栅网 间隙的时候，遇到腔内减速高频场就可把能量交给高频 场，从而使速调管维持振荡。当群聚中心电子从穿出栅
网到返回栅网的渡越时间满足式τ0＝(ｎ＋３／４)Ｔ (ｎ ＝０，１，２，３，···)时,发生最强的振荡，式中Ｔ为高
三、观察波导管的工作状态
一般说，波导管中存在入射波和反射波。描述波导管中匹配和反 射程度的物理量是驻波比或反射系数。由于终端情况不同，波导管中 电磁场的分布情况也不同，可以把波导管的工作状态归结为三种状态； 匹配状态、驻波状态和混波状态，它们的电场分布曲线分别如图a、b、 c所示。
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。
固体液体电介质相对介电常数的测定优秀课件
实验仪器
SDK型介电常数测试仪，固体介质测微电极电容系统， 液体介质测试电极电容系统，频率计
交流电桥，游标卡尺，被测液体介质，被测固体介质
实验内容
1.电桥法测固体电介质的相对介电常数
（1）用游标卡尺和测微电极电容系统上的螺旋测微器， 依次测出样品的直径R和厚度t
（2）连接好线路，调节测量电极上、下极板间的间距， 使间距约为样品厚度的1.3倍。用测微电极电容系统上 的螺旋测微计测出间距D的大小
待测样品
图4-11-1 测微电极电容系统
实验原理
一、用电桥法测量固体电介质相对介电常数
C1= C0 + C边1 + C分
1 C2= C串 + C边2 + C
分2 C边1= C边2 、C分1= C分2 C0=ε0 S / D
C串= C2－C1+ C0
C 串 D 0 0 S St rrt0 0S S1rr(D 0St)
固体液体电介质相对介电常数 的测定优秀课件
实验目的
1.掌握固体、液体电介质相对介电常数的测量原理和方法 。 2.学会减小系统误差的实验方法 。
实验原理
一、用电桥法测量固体电介质相对介电常数
一组平行板电极组成的电容器
测微器
r
C2 C1
上电极
物理实验中测量电容量， 较常用的方法是用交流电桥来测量 下电极
Dt t
r
C串t
0SC串Dt
实验原理
二、用频率法测定液体电介质的介电常数
介电常数测试仪内部的电感L和被测试电容C构成LC振荡回路
f1, 2L C
即 C 4 2 1 L f 2 k f 2 2
其 中 k 2 4 1 2 L
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。
介电常数测试
介电常数测试
介电常数测量是一种用于测量材料电介质中的电场强度和电位差之间关系的实验方法。
介电常数描述了电场中物质对电场线的扭曲程度，是衡量一种材料对电场的响应能力的物理量。
在介电常数测试中，通常使用平行板电容器来实现。
平行板电容器由两个平行金属板构成，中间充满被测介质。
通过施加电压，在金属板之间形成电场，测量电场强度和电位差，从而得到材料的介电常数。
测试方法可以采用静态和动态两种。
静态测试方法是在恒定电场下测量电场强度和电位差，在施加恒定电场后测量电容器中的电流，从而计算出介电常数。
动态测试方法是施加交变电场，在交变电场中测量电容器的阻抗，通过阻抗和电容来计算介电常数。
介电常数测试在材料研究、电子器件开发和生物医学等领域中具有重要的应用价值。
它可以帮助了解材料的电性能，选择适合的材料用于电子器件，同时也有助于设计和优化电场应用设备。
介电常数测试方法
介电常数测试方法
介电常数测试方法
一、介电常数的定义：
介电常数是一种物理特性，它衡量介质（如空气、水、液体或固体）中电磁波的传播率。
它的反映了电磁波在特定介质中传播的速度，即介质中电磁波传播的能力。
介电常数用ε表示，单位是度（F/m），它是不同物质的电磁波传播率的比较数值，值越高表示物质中电磁波传播的能力越强。
二、介电常数测试原理：
介电常数测试是采用微波吸收谱法（MAS）来测量介电常数的，即在实验室中采用MAS法测量样品的介电常数。
MAS法是在一定的物理条件下，通过测量微波激入样品的功率和样品反射出去的功率的比值来测量介电常数的。
三、介电常数测试方法：
（1）准备样品
用于测试介电常数的样品是根据测试要求准备的，要求样品尺寸应根据介质的介电常数的测量原理准备，通常，样品尺寸不应超过
1/10波长。
（2）设置测试系统
测试介电常数的系统由微波激发器、反射器、发射器和接收器等主要部分组成，在测试系统中，激发的微波将由发射器发射到样品上，样品上部分的微波被反射回发射器，另一部分微波穿过样品，最后由
接收器接收到。
（3）测试介电常数
在测试介电常数之前，要确定介质的频率，以及激发器的功率，然后发射微波到样品上，测量样品反射出去的功率，计算反射系数，最后把反射系数代入定义式，计算介电常数。
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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。
，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
样品端面S参数到介电常数的计算
s11
s22
c (1 Td2 1 c2Td2
) s21
s12
Td (1 c2 ) 1 c2Td2
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 s21
s12 s22
[S ]'
s11 s21
e2 0l1 e 0 (l1
l2
)
s12 s22
e 0 (l1 l2 e2 0l2
)
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
Coaxial probe permittivity measurement system
ZL Z0 Y0 YL
Z L Z0 Y0 YL
YL (,r )
jCi
jC0 r
jB
3
2 r
A
4
2.5 r
• 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
Coaxial
Vector Network Analyzers
Waveguide
Coaxial Converter
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。
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
同轴探针法测量介电常数
Coaxial probe permittivity measurement system
定值，需要去除。
推导二：介电常数二
s221 s121 1 1 Td2 M
2s21
2Td
s221
s121 2s21
1Td
M
M 2 1 Te j
c
1 l
ln(Td
)
1 l
ln(T
)
j(
2n
)(n
0,1,
2)
r
| c
2 c
(
0 2
)2
( 0 c
)2
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。
s11、s22、s21、s12表示待测样品的s参数
推导一 ：介电常数一
s121
s221 2s11
1
1 c2 K 2c
s121
s221 2s11
1 c
K
K2 1
z%c
zc z0
1 c 1 c
r
|zc
( 0 c
)2
ห้องสมุดไป่ตู้1 z%c2
[1
( 0 c
)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
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
波导口处的s参数为
[S ]'
s' 11
s' 12
s' 12
s' 22
，样品两端面的s参数为 [ S
c
表示波导的截止
关
c 2 /(kc )mn 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；
• 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
• 电长度l1和l2的计算
A为 s22和 s11的相位差
A
2 0 (l2
l1)l2
A
4 0
l
d 2
l
d
l1
l2l1
l
d 2
A
4 0
• 间隙误差 波导壁存在空气隙 校正公式为
r
b b'
rm 1 rm
b b'
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
• 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。
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
• 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
The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system
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
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
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
相对介电常数计算2 4.5
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。
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
Coaxial probe permittivity measurement system
Coaxial probe permittivity measurement system
High Temperature Probe Kit and Performance Probe Kit in the Coaxial probe permittivity measurement system