基于谐振腔体法的材料电磁参数测试 (1)

      摘要：针对介质材料的电磁参数测量，业界普遍采用传输反射法，常用的夹具有同轴空气线、波导、天线、同轴探头等，此种方法适合宽频测量，但是精度相对不高，此外要求样品的机械加工能力。如果要求很高的精度，更多的是采用谐振腔体法。本文介绍了一种全新的分裂圆柱体谐振腔体，并且以聚四氟乙烯的测量为例，详细介绍了采用这种腔体完成介质材料测试的具体过程。此项方法具有精度高、操作简单的特点，最适合于衬底, 薄膜, PCB等材料的测量，并且遵循IPC测试规范TM-650 2.5.5.13。

      Abstract: For the electromagnetic properties measurement of dielectric material, Transmission/Reflection method is commonly employed with coaxial airline, waveguide kits, antenna, and coaxial probe used as fixture, this method is fit for broadband measurement with the relative low accuracy, and also requires high machine capability of sample. If high accuracy is required, resonant cavity method is recommended. In this paper, we will introduce a new Split-Cylinder resonator, and also the whole process for dielectric material measurement taking Teflon for example by use of this resonator. This method is very accurate and easy to use, best for substrates, thin films and PCBs, and complies with IPC test method TM-650 2.5.5.13.

引言

      近年来，随着射频微波技术的飞速发展，航空航天、通信技术与信息技术等高科技领域对射频微波元器件的要求也随着提高，使得射频微波材料在这些领域起到了越来越重要的作用。对于射频微波材料来说，电磁波在其中的传播完全由材料的电磁参数决定，在应用各种射频微波材料时，必须通过测试了解其电磁参数。在各种射频微波器件，微波与毫米波集成电路底板等大量应用射频微波材料的领域，设计对象的研究和设计都需要准确的材料电磁参数。

      材料的电磁参数指复介电常数和复磁导率，其中主要集中于其介电特性的研究，有关材料磁特性的测量只占少数，所以本文只讨论复介电常数的测试。测量材料复介电常数的方法有很多，主要分为传输反射法和谐振腔体法。其中传射反射法实质是利用所测出的样品的反射和传射系数得到复介电常数或复磁导率，根据所用夹具的不同，又分为同轴空气线法、波导法、自由空间法和同轴探头法，同轴探头法一般用来测量液体或者半固体例如粉末，被测件的损耗较大；同轴空气线和波导法一般用来测量片状固体或者粉末状固体，被测物质为损耗至低损，这两种方法对被测件的机械加工能力要求都比较高，被测物质的截面必须和空气线或波导的轴线垂直，而且被测物质与空气线或波导之间最好是完全接触，否则会产生一定的测量误差；自由空间法一般是利用聚焦喇叭天线或者拱形门来完成测量，要求被测件是大的平面细状固体，而且尺寸越大越好，最好是十个波长以上，特别适合于高温物质测量或者其他非接触性物质的测量。

      而谐振腔体法的原理是将材料样品放入封闭或者开放的谐振腔体中，根据放入前后其谐振频率和品质因子Q值的变化来确定样品复介电常数和复磁导率，通常是将样品置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品的复介电常数，将样品置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品的复磁导率。这种方法目前具有最高的测量精度，尤其适合于低损耗物质的测量，缺点是无法支持宽带的材料测量。