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文檔簡介
ICSXX.XXX.XX
CCSXXX
團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)
T/CSTMXXXXX-202X
微波波段固態(tài)電介質(zhì)材料介電特性測試
閉腔法
Measurementfordielectricpropertiesofsolid-statedielectricmaterialsat
microwavefrequency—"TheClosedCavity"method
202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施
中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布
T/CSTMXXXXX—202X
前言
本文件參照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》給出的
規(guī)則起草。
請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。
本文件由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00）提出。
本文件由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00）歸口。
I
T/CSTMXXXXX—202X
引言
本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)提請注意，聲明符合本文件時，可能涉及到8.1試樣預(yù)處理和8.2介電特性的測
量相關(guān)的專利202011552591.5的使用。
本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)對于該專利的真實性、有效性和范圍無任何立場。
該專利持有人已向本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)承諾，他愿意同任何申請人在合理且無歧視的條款和條件下，
就專利授權(quán)許可進(jìn)行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)備案。相關(guān)信息可以通過以下聯(lián)
系方式獲得：
專利持有人：山東國瓷功能材料股份有限公司
專利發(fā)明人：朱恒，楊宏偉，宋錫濱，艾遼東，奚洪亮，崔樹芝
地址：山東省東營市開發(fā)區(qū)遼河路24號
請注意除上述專利外，本文件的某些內(nèi)容仍可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)
任。
II
T/CSTMXXXXX—202X
微波波段固態(tài)電介質(zhì)材料介電特性測試
閉腔法
1范圍
本規(guī)定規(guī)定了固體電介質(zhì)和復(fù)合板材頻率f在1~20GHz范圍內(nèi)，介電常數(shù)ε在5-100范圍內(nèi)和介電
損耗角正切tanδ在0.005-0.00005范圍內(nèi)的測量方法。
本文件適用于氧化硅、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、氮化硼等無機(jī)材料，PCB等有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料
的介電常數(shù)ε和介質(zhì)損耗角正切tanδ的測量。
2規(guī)范性引用文件
下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，
僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本
文件。
SJ/T11067-1996紅外探測材料中半導(dǎo)體光電材料和熱釋電材料常用名詞術(shù)語
3術(shù)語和定義
SJ/T11067-1996中界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。
3.1介電常數(shù)dielectricconstant
正、負(fù)電荷中心間的距離d和電荷中心所帶電量q的乘積定義為偶極矩μ，見公式（1）：
.........................................................................................................................................................(1)
極化密度是電介質(zhì)在外電場作用下發(fā)生極化后，單位體積內(nèi)束縛電荷的電量，用P表示，單位：C/m2，
?=??
見公式（2）：
........................................................................................................................................................(2)
式中：
?=??
N—單位體積的偶極數(shù)。
電位移矢量描述電場的輔助物理量，其討論靜電場中存在電介質(zhì)的情況下，電荷分布和電場密度的
關(guān)系，用D表示，單位：F/m，見公式（3）：
........................................................................................................................................(3)
式中：
?=?0?+?=?
E－電場強(qiáng)度；
ε0－真空條件下的介電常數(shù)；
ε－介電常數(shù)；
定義：；
0?
其中εr是?=相?對?介電常數(shù)：。
??
介電常數(shù)是衡量絕緣體儲?存?=電1能+性?能0=的1物+理?量?，它的數(shù)值取決于介質(zhì)極性和外電場或電磁場的頻率。
介質(zhì)極性越高,其極化強(qiáng)度將會越強(qiáng),在宏觀上反映為更高的介電常數(shù)；材料中存在好幾種極化方式，各
1
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種極化馳豫發(fā)生的頻段不一樣，總的來說，隨著頻率的升高，介電常數(shù)一般減小。特性上，溫度、頻率
及機(jī)械力等因素會使電介質(zhì)材料表現(xiàn)出不同的極化現(xiàn)象，其結(jié)果就是材料的介電常數(shù)會隨著這些因素而
變化。
[來源：參考文獻(xiàn)2，有修改]
3.2介電損耗dielectricloss
電介質(zhì)在交變電場或受到電磁場作用下，因電場場量方向性的張量因素，致使材料極化機(jī)制產(chǎn)生損
耗的行為，或因不斷改變極化狀態(tài)時，由于漏導(dǎo)及極化弛豫而產(chǎn)生極化力下降的行為稱為介電損耗。特
性上，溫度、頻率及機(jī)械力等因素會使電介質(zhì)材料表現(xiàn)出不同的極化現(xiàn)象，其結(jié)果就是材料的介電損耗
會隨著這些因素而變化。
[來源：SJ/T11067-1996，3.3，有修改]
3.3損耗角正切dielectriclosstangent
電介質(zhì)在交變電場作用下，不斷改變極化狀態(tài)時，由于漏導(dǎo)及極化馳豫而使部分電能轉(zhuǎn)變成熱能的
現(xiàn)象稱為介電損耗。
電介質(zhì)在交變電場作用下，由于極化過程的馳豫，電位移矢量的變化比電場強(qiáng)度的變化落后一個相
位角δ。此相位角稱為損耗角，它的正切值稱為損耗角正切。損耗角正切常用符號tanδ或tgδ表示。
由于電位移矢量的變化比電場強(qiáng)度的變化落后，介電常數(shù)可用一復(fù)數(shù)表示：
..........................................................................................................................................(4)
ε1(ω)?iε2(ω)
.....................................................................................................................................................(5)
?2
式tan中?：=?1
ε1－介電常數(shù)ε的實部；
ε2－虛部；
ω－角頻率；
tanδ－介電損耗。
交變電場在介質(zhì)中產(chǎn)生無功功率和有功功率兩部分，損耗角正切等于有功功率與無功功率之比，損
耗角正切又稱為損耗因子。
[來源：SJ/T11067-1996，3.3，有修改]
4測量原理
閉腔法測試的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，區(qū)域1為圓柱形介質(zhì)樣品，區(qū)域2和區(qū)域4為介質(zhì)基片，區(qū)域
3、區(qū)域5和區(qū)域6為空氣媒質(zhì)。
2
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圖1閉腔諧振法側(cè)視圖（圖中b為腔體的半徑）
其中：
εr－介質(zhì)樣品的介電常數(shù)；
εr1－介質(zhì)基片的介電常數(shù)；
ε0－空氣的介電常數(shù)。
當(dāng)介質(zhì)諧振器的諧振模式為TE01δ時，區(qū)域1～6的相關(guān)參數(shù)滿足公式(6)。
（）
2
2π2
???=???0
222.............................................................................................................................(6)
???=?0????1
2
?0=ω?0?0
222
?1=?????0??1
式2中：22
?2=?????0
Kci、Kco－徑向波數(shù)；
k0－自由空間的波數(shù)；
β1－軸向傳播常數(shù)；
α1－區(qū)域2的軸向衰減常數(shù)；
α2－區(qū)域3的軸向衰減常數(shù)；
ω－角頻率；
μ0－空氣的磁導(dǎo)率。
由邊界連續(xù)條件，可推導(dǎo)出下式：
（）
（）（）.................................................................................(7)
?0????????11
?1????=?????1?????0????+?co??1?co?
...............................................................................................................(8)
1
?1??
?1=????1coth?1?1??12
...............................................................................................................(9)
1
?1??
2221
?=???..?.1..c..o..t..h..?....?.......?....?....2..............................................................................................................(10)
（7）式中：
?1+?2=0
J0（x）－零階第一類貝塞爾函數(shù)；
J1（x）－一階第一類貝塞爾函數(shù)；
K0（x）－零階第二類貝塞爾函數(shù)；
3
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K1（x）－一階第二類貝塞爾函數(shù)。
由公式（6）~（10）可以求解出樣品的介電常數(shù)。
介電損耗的計算公式：
..................................................................................................................................(11)
1
式tan中?：=1+????
Qu－測試系統(tǒng)的無載Q值；
，；
????
Pc－金屬腔內(nèi)壁的損耗功率；
?=???=?0??
ω0－諧振頻率。
5測試條件
5.1測試的大氣條件
溫度：21~25℃；
相對濕度：40%~60%；
大氣壓力：86~106kPa。
5.2仲裁測試的大氣條件
溫度：22~24℃；
相對濕度：45%~55%；
大氣壓力：86~106kPa。
6儀器和設(shè)備
6.1測試系統(tǒng)
測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
圖2測試系統(tǒng)示意圖
6.2矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀需滿足：
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a）VNA的測試頻率范圍應(yīng)為500MHz至20GHz。
b）VNA的動態(tài)范圍應(yīng)大于60dB。
6.3TE01δ介質(zhì)諧振器測試夾具：
圖1展示了TE01δ介質(zhì)諧振器測試夾具的方案。表1規(guī)定了測試樣品的尺寸范圍。
6.4驗證單元：
驗證單元包括以下內(nèi)容：
標(biāo)準(zhǔn)參考樣品，例如：氧化鋁或等效樣品。
6.5螺旋測微計：
測微計的分辨率為0.001mm（或更高），用于測量試樣厚度和直徑。
7樣品
樣品的尺寸范圍見表1。
表1樣品尺寸范圍
最小直徑（mm）最小厚度（mm）最大直徑（mm）最大厚度（mm）
6（12）*3166
*低介電常數(shù)的樣品，最小直徑是12mm。
8測試步驟
8.1試樣預(yù)處理
試驗前，所有試樣應(yīng)置于溫度為(23±2)℃、相對濕度為(50±5)%的環(huán)境中，預(yù)處理至少24小時。
8.2介電特性的測量
測試步驟如下：
a）設(shè)定環(huán)境條件：測量前60分鐘先設(shè)定空調(diào)溫度于23℃，除濕機(jī)或加濕器設(shè)定于50%，并管制
人員進(jìn)出，避免影響溫度變化，測試前確認(rèn)溫度穩(wěn)定于（23±2）℃范圍內(nèi)，濕度穩(wěn)定于（50±10）%范
圍內(nèi)。
b）VNA預(yù)熱：測量前至少提前30分鐘開機(jī)，使VNA預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)。
c）測量試樣尺寸：使用螺旋測微計測量試樣的直徑和厚度（測量近中心不同位置的5個點，計算
平均值）并記錄于測試原始記錄。
d）根據(jù)樣品直徑、厚度、介電常數(shù)估算有載諧振頻率，并記錄于測試原始記錄。
e）將樣品放在腔體中心的介質(zhì)支撐柱上，并關(guān)閉腔體。
f）根據(jù)估算有載諧振頻率，尋找諧振峰，并調(diào)節(jié)耦合環(huán)調(diào)至弱耦合狀態(tài)（-45dB~-46dB），使諧振
腔內(nèi)電磁場均勻?qū)ΨQ分布。
g）記錄有載諧振頻率和有載品質(zhì)因子。
h）計算樣品的介電常數(shù)和損耗角正切值，并記錄于測試原始記錄。
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9實驗數(shù)據(jù)處理
9.1相對介電常數(shù)
（）
2
2π2
???=???0
222...........................................................................................................................(12)
???=?0????1
2
?0=ω?0?0
222
?1=?????0??1
式2中：22
?2=?????0
Kci、Kco－徑向波數(shù)；
k0－自由空間的波數(shù)；
β1－軸向傳播常數(shù)；
α1－區(qū)域2的軸向衰減常數(shù)；
α2－區(qū)域3的軸向衰減常數(shù)；
ω－角頻率；
μ0－空氣的磁導(dǎo)率。
由邊界連續(xù)條件，可推導(dǎo)出下式：
（）
（）（）...............................................................................(13)
?0????????11
?1????=?????1?????0????+?co??1?co?
.............................................................................................................(14)
1
?1??
?1=????1coth?1?1??12
.............................................................................................................(15)
1
?1??
2221
?=????..1..c..o..t.h..?....?.......?....?.....2..............................................................................................................(16)
其中：
?1+?2=0
（13）式中：
J0（x）－零階第一類貝塞爾函數(shù)；
J1（x）－一階第一類貝塞爾函數(shù)；
K0（x）－零階第二類貝塞爾函數(shù)；
K1（x）－一階第二類貝塞爾函數(shù)。
由公式（12）~（16）可以求解出樣品的介電常數(shù)。
9.2損耗角正切
損耗角正切應(yīng)按公式（17）進(jìn)行計算：
..................................................................................................................................(17)
1
式tan中?：=1+????
－測試系統(tǒng)的無載Q值；
?，；
?????
Pc－金屬腔內(nèi)壁的損耗功率；
?=???=?0??
ω0－諧振頻率。
6
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10測量的不確定度
10.1相對介電常數(shù)的不確定度評定
10.1.1相對介電常數(shù)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA評定
相同條件下，對同一樣品重復(fù)測試10次，得到的相對介電常數(shù)用統(tǒng)計方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA的
評定，計算公式為：
.........................................................................................................................(18)
1?2
式?A中=：??1