實(shí)驗(yàn)室裝置波導(dǎo)法測量介電常數(shù)演示文稿

實(shí)驗(yàn)室裝置波導(dǎo)法測量介電常數(shù)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裝置波導(dǎo)法測量介電常數(shù)PPT當(dāng)前第2頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)自然界中大多數(shù)物質(zhì)在微波波段都呈現(xiàn)為有損耗的絕緣體，稱之為電介質(zhì)，簡稱介質(zhì)。介質(zhì)在電場的作用下都會發(fā)生極化現(xiàn)象，即介質(zhì)在外加電場的作用下其內(nèi)部的正負(fù)電荷向著相反方向發(fā)生微小位移，從而產(chǎn)生許多電偶極矩。介質(zhì)極化后在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)極化電場，這個(gè)電場的方向與外加電磁場的方向相反，大小與介質(zhì)的極化程度、物質(zhì)成分和物理狀態(tài)，外界溫度頻率等有關(guān)。介質(zhì)的介電常數(shù)定義為電通量D與外加電場強(qiáng)度E的比值，是一個(gè)用來衡量介質(zhì)中的電荷在外加電磁場作用下發(fā)生極化后的分布情況的一個(gè)常量介電常數(shù)當(dāng)前第3頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)

介電常數(shù)是一個(gè)由本身性質(zhì)和外界環(huán)境共同決定的反映介質(zhì)電特性的物理量。宏觀上反映介質(zhì)對電磁波輻射，散射，反射，吸收，傳輸?shù)忍匦?，微觀上反映物質(zhì)內(nèi)部化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)。通過它將介質(zhì)極化的宏觀現(xiàn)象和介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。當(dāng)前第4頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)物質(zhì)在靜電場中（無電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一個(gè)標(biāo)量，實(shí)數(shù)

物質(zhì)在交變電場中（有電磁波時(shí)）的介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)

介電常數(shù)的虛部反映波傳播的損耗，實(shí)部反映波傳播時(shí)狀態(tài)的改變，如相位，相速，波阻抗等的改變。當(dāng)前第5頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)介電常數(shù)測量方法傳輸線法－如波導(dǎo)法，同軸線，帶狀線

將被測介質(zhì)作為傳輸線的一部分，測量負(fù)載（被測介質(zhì)）在傳輸線（傳輸系統(tǒng)）上的行駐波分布，測量其駐波系數(shù)，波節(jié)點(diǎn)位置（相位），以此計(jì)算負(fù)載的反射系數(shù)，阻抗，網(wǎng)絡(luò)參量等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其介電常數(shù)的反演

當(dāng)前第6頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)諧振腔法－將被測介質(zhì)放入諧振腔中，引起諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化，其測得的變化值與介質(zhì)的介電常數(shù)有定量關(guān)系

自由空間波法－光學(xué)方法。通過測量介質(zhì)的折射率，得到其與介電常數(shù)的定量關(guān)系。當(dāng)前第7頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)波導(dǎo)傳輸/反射法NRW傳輸/反射法：將待測樣品作為二端口網(wǎng)絡(luò)，測量兩個(gè)端口的s參數(shù)，即s11，s21,s22，s12，然后根據(jù)測得的s參數(shù)算出介質(zhì)的介電常數(shù)該可以方法測量介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)，適應(yīng)于同軸和波導(dǎo)系統(tǒng)，采用同軸線時(shí)傳輸波為TEM波，而波導(dǎo)系統(tǒng)中傳輸?shù)氖荰E10波。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單且具有較的高精度，然而，該方法存在厚度諧振，多值，以及不易測量極薄材料等問題。當(dāng)前第8頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)當(dāng)前第9頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)CoaxialConverterWaveguideCoaxialVectorNetworkAnalyzersWave-guidemethoddielectricconstantmeasuringsystem當(dāng)前第10頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)ThePartsintheWave-guidemethoddielectricconstantmeasuringsystem當(dāng)前第11頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)

同軸線校準(zhǔn)同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)當(dāng)前第12頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)一.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同軸線校準(zhǔn)打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置好掃描頻率（2－4G），點(diǎn)數(shù)（801），掃描時(shí)間（6ms）為了將測量的二端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)校準(zhǔn)到同軸線的端口，要先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的標(biāo)準(zhǔn)件（開路器，短路器，匹配負(fù)載，直通）和自帶的校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)當(dāng)前第13頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)二.同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)為了將同軸線兩端口的散射參數(shù)校準(zhǔn)到測量波導(dǎo)的兩個(gè)端面，需要進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件和自己編寫的校準(zhǔn)程序進(jìn)行同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)將兩轉(zhuǎn)換頭波導(dǎo)口對接：記錄此時(shí)的s參數(shù)，記錄為‘thru.s2p’在轉(zhuǎn)換頭波導(dǎo)口接上短路板：記錄此時(shí)的s參數(shù)，記錄為‘short.s2p’將校準(zhǔn)用波導(dǎo)接在兩轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時(shí)的s參數(shù)，記錄為‘line.s2p’將需要測量的對象接在轉(zhuǎn)換器之間：記錄此時(shí)的s參數(shù)導(dǎo)入校準(zhǔn)程序，得到測量波導(dǎo)兩個(gè)端面的s參數(shù)當(dāng)前第14頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)當(dāng)前第15頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)樣品端面S參數(shù)到介電常數(shù)的計(jì)算

表示待測樣品的傳輸系數(shù)

表示待測樣品的反射系數(shù)

s11、s22、s21、s12表示待測樣品的s參數(shù)

當(dāng)前第16頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)推導(dǎo)一：介電常數(shù)一Zc，Z0分別表示樣品和空氣的特征阻抗；表示波導(dǎo)的截止波長，只與波導(dǎo)尺寸和傳輸波型相關(guān)；表示空氣中的工作波長，；c為光速常數(shù)；

當(dāng)前第17頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)厚度諧振問題：對于某些頻點(diǎn)，即樣品長度正好是半個(gè)波導(dǎo)波長的整數(shù)倍。S11->0，K值具有極大不確定性，產(chǎn)生尖峰，即厚度諧振，為不確定值，需要去除。當(dāng)前第18頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)推導(dǎo)二：介電常數(shù)二

表示樣品段傳播常數(shù)。

多值問題：由于n可能取多個(gè)不同的值，值存在多個(gè)值，因而得到的介電常數(shù)可能存在多值。當(dāng)前第19頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)厚度諧振和多值問題的解決結(jié)合兩個(gè)推導(dǎo)公式分別計(jì)算介電常數(shù)一（有厚度諧振但是無多值問題），介電常數(shù)二（有多值問題但是無厚度諧振）。將介電常數(shù)二與介電常數(shù)一進(jìn)行比較，選取介電常數(shù)二中與介電常數(shù)一值范圍相近值為正確值。所得到的結(jié)果既避免了多值問題又避免了厚度諧振問題當(dāng)前第20頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)干土的介電常數(shù)當(dāng)前第21頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)誤差分析及校正定位誤差信號傳輸方向上存在空氣段當(dāng)前第22頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)

定位誤差的校準(zhǔn)波導(dǎo)口處的s參數(shù)為，樣品兩端面的s參數(shù)為

為空氣段波導(dǎo)的傳播常數(shù)，放樣品的波導(dǎo)總長度為l，樣品厚度為d，l1和l2分別為兩個(gè)測量端面到樣品位置的長度，一般情況都將空波導(dǎo)當(dāng)作是理想傳輸線，即只存在相位的變化，而不會對信號產(chǎn)生衰減當(dāng)前第23頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)電長度l1和l2的計(jì)算

A為和的相位差當(dāng)前第24頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)間隙誤差波導(dǎo)壁存在空氣隙校正公式為其中是由測量數(shù)據(jù)中直接推導(dǎo)出來的值，表示修正以后的數(shù)值。表示窄邊樣品的高度，表示波導(dǎo)窄邊高度與樣品高度的差。

當(dāng)前第25頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)小結(jié)頻率，掃描點(diǎn)數(shù)，掃描時(shí)間設(shè)置同軸線校準(zhǔn)－矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)同軸波導(dǎo)校準(zhǔn)－非標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)S參數(shù)到介電常數(shù)的計(jì)算定位誤差校正介電常數(shù)一和介電常數(shù)二間隙誤差校正當(dāng)前第26頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)

同軸探針法測量介電常數(shù)當(dāng)前第27頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)Coaxialprobepermittivitymeasurementsystem當(dāng)前第28頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)Coaxialprobepermittivitymeasurementsystem當(dāng)前第29頁\共有31頁\編于星期日\0點(diǎn)Coaxialprobepermittiv