一種對(duì)粉末材料的介電常數(shù)變溫測(cè)試方法

周舒

1概述

微波技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)天線、微波元器件的要求在航空、航天、通訊技術(shù)與信息技術(shù)等高科技領(lǐng)域隨之提高，從而也催生了微波材料在這些領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，研究微波材料也有越來(lái)越重要的意義和實(shí)用價(jià)值；

目前市場(chǎng)上絕大部分微波材料生產(chǎn)商都無(wú)法提供準(zhǔn)確的微波材料的介電常數(shù)，并且工作環(huán)境溫度會(huì)隨著微波器件上工作功率的提高而上升，這時(shí)候就需要得到隨溫度變化的微波材料介電常數(shù)，另外介電常數(shù)和磁導(dǎo)率通常會(huì)隨著溫度和頻率的變化而發(fā)生改變；在微波元器件中，功率升高，也會(huì)使其溫度升高，用于微波元器件中的微波材料工作溫度發(fā)生變化，影響了微波元器件正常工作，因此提出了微波材料介電常數(shù)變溫測(cè)試技術(shù)，本文將主要介紹微波材料寬頻段內(nèi)介電常數(shù)的變溫測(cè)量問(wèn)題。

2 測(cè)量方法

Nicolson、Ross和Weir等科學(xué)家在上世紀(jì)七十年代提出了一種電磁參數(shù)測(cè)試的方法，即NRW[1，2]法，也就是我們熟悉的傳輸/反射法。

傳輸/反射法是將被測(cè)樣品放置于傳輸線（矩形波導(dǎo)或同軸線）中，利用二端口網(wǎng)絡(luò)特性將測(cè)試夾具等效為一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，利用電磁參數(shù)與散射參數(shù)之間的關(guān)系反演得到被測(cè)材料的復(fù)介電常數(shù)，從而達(dá)到了將電磁參數(shù)測(cè)試問(wèn)題歸結(jié)為互易雙端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)的測(cè)試問(wèn)題。

圖2-1所示為同軸傳輸線待測(cè)件測(cè)量示意圖，同軸傳輸線中放入相對(duì)復(fù)介電常數(shù)為，長(zhǎng)度為的待測(cè)材料樣品，沒(méi)填充被測(cè)材料部分的介質(zhì)介電常數(shù)為。

其中，待測(cè)材料兩端到測(cè)量端口一、二的距離分別為d1、d2，介電常數(shù)為的傳輸線段的特性阻抗為，長(zhǎng)為l的待測(cè)材料段的特性阻抗為，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得待測(cè)材料樣品兩端的S參數(shù)，利用反射系數(shù)和傳輸系數(shù)與S參數(shù)、介電常數(shù)的關(guān)系，最終反演出待測(cè)材料的復(fù)介電常數(shù)[3，4]。

3 測(cè)試系統(tǒng)

變溫測(cè)試系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)選用了成熟的溫度控制儀RKC-CH102，配合熱電偶溫度傳感器和加熱棒使用，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的加熱和控制，因?yàn)閷?duì)介質(zhì)材料進(jìn)行高溫測(cè)量（最高達(dá)200℃），所以隔熱部分和散熱部分[5]目的是將待測(cè)件的溫度降至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口的使用溫度（-20℃～50℃），如圖3-1所示，其中待測(cè)件DUT包括了溫度加熱和控制部分。

4 測(cè)試結(jié)果

利用該測(cè)試系統(tǒng)首先對(duì)已知介電常數(shù)的材料空氣（介電常數(shù)實(shí)部為1）進(jìn)行了復(fù)介電常數(shù)常溫測(cè)試，然后再對(duì)粉末材料進(jìn)行了室溫～200℃，頻率1～18GHz的變溫復(fù)介電常數(shù)測(cè)試。

4.1 常溫測(cè)試

本文先對(duì)空氣進(jìn)行了室溫測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4-1所示

由圖4-1可以看出，在常溫條件下，對(duì)空氣進(jìn)行了五次測(cè)量，其相對(duì)介電常數(shù)偏差不大，重復(fù)性很好。

4.2 粉末材料變溫測(cè)試結(jié)果

測(cè)量范圍：室溫～200℃，頻率1～18GHz，每隔50℃取一個(gè)點(diǎn)，將得到的數(shù)據(jù)繪成溫度特性曲線如圖4-2所示。

如圖4-2所示，某粉末材料模擬在室溫～200℃范圍內(nèi)一般隨著溫度的升高而升高。

5 總結(jié)

本文主要以同軸傳輸線理論為基礎(chǔ)，主要研究在頻段（1～18GHz）、室溫～200℃內(nèi)粉末材料的介電常數(shù)測(cè)量，確定了使用同軸傳輸線作為測(cè)試夾具，通過(guò)MATLAB軟件編程反演幾種常見(jiàn)材料的介電常數(shù)，證明了本文所使用反演算法的可行性，最終完成了粉末材料的變溫介電常數(shù)測(cè)試。■

參考文獻(xiàn)

[1]Nicolson A. M， Ross G. F. Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Ti-me Domain Techniques. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1970，4（19）：377-382.

[2]Weir WB. Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. Proceedings of the IEEE 1974， 1（62）：33-36.

[3]田步寧，劉其中，楊德順，等.傳輸/反射法測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的三個(gè)方程研究[N].宇航學(xué)報(bào)，2002.9.

[4]趙才軍，蔣全興，景莘慧.改進(jìn)的同軸傳輸/反射法測(cè)量復(fù)介電常數(shù)[N].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，3.

[5]李恩.吸波材料電磁參數(shù)在X波段的變溫測(cè)試[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2003.