1 準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)測試技術規(guī)范-征求意見稿

JJF××××-××××中華人民共和國國家計量技術規(guī)范JJFXXXX-XXXX準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)測試技術規(guī)范MetrologicalSpecificationforthe***（征求意見稿）20XX-XX-XX發(fā)布20XX-XX-XX實施國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布JJF××××-××××準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)測試技術規(guī)范JJFJJFMetrologicalSpecificationfor***歸口單位：全國新材料與納米計量技術委員會主要起草單位：參與起草單位：本規(guī)范委托全國新材料與納米計量技術委員會負責解釋本規(guī)范主要起草人：參加起草人： 準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)計量技術規(guī)范1范圍本規(guī)范規(guī)定了頻率范圍在20GHz~110GHz、介電常數(shù)范圍2~20、損耗角正切范圍0.0001~0.05的共焦準光腔、半球準光腔和半共焦準光腔的校準。2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。JJF（電子）0028-2019《低損耗介質(zhì)材料復介電常數(shù)標準樣片校準規(guī)范》GB/T9534-1988《毫米波頻段固體電介質(zhì)材料介電特性測試方法準光腔法》GB/T31838.1-2015固體絕緣材料介電和電阻特性第1部分：總則GB/T31838.6-2021固體絕緣材料介電和電阻特性第6部分：介電特性(AC方法)相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)(頻率0.1Hz~10MHz)JISR1660-2-2004毫米波段精細陶瓷介電性能的測量方法-第2部分：開放式諧振腔法（JIS

R1660-2-2004

Measurement

method

for

dielectric

properties

of

fine

ceramics

in

millimeter

wave

frequency

range

--

Part

2：Open

resonator

method）T/CSTM00750-2022《毫米波頻段材料介電性能測試開放式半球型諧振腔法》T/CSTM01011-2023《毫米波頻段材料介電性能測試開放式共聚焦諧振腔法》3術語和定義GB/T31838.1、GB/T31838.6和JISR1660-2中界定的術語和定義適用于本文件。3.1介電性能dielectricproperties在給定頻率范圍內(nèi)用交流電壓測量出的材料綜合特性。[來源：GB/T31838.1-2015，3.3，有修改]3.2絕對介電常數(shù)absolutepermittivity電通密度除以電場強度的商。[來源：GB/T31838.6-2021，3.3]3.3相對介電常數(shù)relativepermittivity絕對介電常數(shù)與真空介電常數(shù)的比值。[來源：GB/T31838.6-2021，3.4]3.4相對復介電常數(shù)relativecomplexpermittivity穩(wěn)定的正弦場下,以復數(shù)表示的介電常數(shù)。[來源：GB/T31838.6-2021，3.5]3.5介質(zhì)損耗因數(shù)QUOTEdielectricdissipationfactor損耗角正切值losstangenttanδ復介電常數(shù)的虛部與實部的比值。[來源：GB/T31838.6-2021，3.6]4概述4.1測量原理開式諧振腔又稱準光腔，是光學諧振結(jié)構(gòu)在微波、毫米波頻段的延伸。若將微波諧振腔的邊壁移開，以減小半導體損耗和可能的諧振模數(shù)，由此形成由兩個平行金屬板構(gòu)成的開式諧振器，亦稱為Fabry-Perot（法布里-珀羅）諧振腔，其原理與光學法布里-珀羅干涉儀相似。與在遠紅外和可見光的激光應用中的諧振器類似，這種開式諧振腔在毫米波段和亞毫米波段應用很廣，在毫米波段頻率介質(zhì)參數(shù)測量中也很有用。開式諧振腔是由不同曲率半徑的凹、凸球面鏡構(gòu)成，應選取工作于穩(wěn)定區(qū)的開式諧振腔，這時波束經(jīng)鏡面反射后能重新聚焦，以維持開式諧振腔的高Q的電磁振蕩，否則波束將散開，而不能形成諧振。在介質(zhì)計量學中常用的開式諧振腔為近共焦腔（通常稱為共焦準光腔）、近半共焦腔（通常稱為半共焦準光腔）、短雙凹腔、近半球腔（通常稱為半球準光腔）。(來源：《簡明微波》，梁昌洪、謝擁軍、官伯然)準光腔依據(jù)Fabry-Perot諧振原理，在腔體內(nèi)形成TEM00q諧振模式的高斯波束，當腔長或頻率滿足一定條件時腔體發(fā)生諧振，在確定的腔長或測試頻率下，置入樣品后，諧振腔的諧振長度或諧振頻率和有載品質(zhì)因數(shù)均發(fā)生變化。根據(jù)樣品厚度、置入樣品前后的諧振長度或諧振頻率和有載品質(zhì)因數(shù)的變化，通過求解超越方程計算出樣品的相對介電常數(shù)εr'和損耗角正切4.2測量系統(tǒng)常用的準光腔介電常數(shù)測量系統(tǒng)一般由網(wǎng)絡分析儀、準光腔、同軸線和測量軟件組成。根據(jù)準光腔結(jié)構(gòu)不同，準光腔測量系統(tǒng)可分為以下三種。4.2.1共焦準光腔結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)（A型）如圖1所示，共焦式準光腔是由2個球面鏡、樣品支架、輸入與輸出波導構(gòu)成。介質(zhì)試樣放置于樣品架上，測試信號通過同軸線傳輸，經(jīng)耦合孔輸入，再經(jīng)同軸線耦合圓環(huán)耦合輸出。圖1共焦準光腔測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)4.2.2半球準光腔結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)（B型）如圖2所示，半球式準光腔是由凹面鏡、平面鏡、輸入與輸出波導構(gòu)成。介質(zhì)試樣放置于平面鏡上平開多孔處，測試信號通過同軸線傳輸，經(jīng)耦合孔輸入再經(jīng)同軸線耦合圓環(huán)耦合輸出。圖2半球準光腔測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)4.2.3半共焦準光腔結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)（C型）如圖3所示，半共焦式準光腔是由凹面鏡、平面鏡、輸入與輸出波導構(gòu)成。介質(zhì)試樣放置于平面鏡中心，測試信號經(jīng)同軸線傳輸，由耦合孔輸入腔中，再經(jīng)同軸線耦合圓環(huán)耦合輸出。圖3半共焦準光腔測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)5計量特性表1準光腔測量系統(tǒng)計量特性設備名稱名稱參數(shù)共焦準光腔（A型）相對介電常數(shù)實部（1）測量范圍：2~40（2）最大允許誤差：±（1.5~2.5）%損耗角正切（1）測量范圍:0.0001~0.05（2）最大允許誤差：±15%tanδ+0.0001半球準光腔（B型）相對介電常數(shù)實部（1）測量范圍：1.05~30（2）最大允許誤差：±（1.5~2.5）%損耗角正切（1）測量范圍:0.0001~0.05（2）最大允許誤差：±15%tanδ+0.0001半共焦準光腔（C型）相對介電常數(shù)實部（1）測量范圍：2~20（2）最大允許誤差：±2.5%損耗角正切（1）測量范圍:0.0001~0.05（2）最大允許誤差：±15%tanδ+0.00016校準條件6.1環(huán)境條件6.1.1環(huán)境溫度：（25±2）℃。6.1.2相對濕度：20%RH~60%RH。6.1.3大氣壓力：常壓6.1.4其他：無影響正常校準工作的振動和電磁場干擾。6.2測量標準（固體電介質(zhì)標樣）表2測量標準統(tǒng)計表校準項目/標樣名稱測試頻率相對介電常數(shù)實部損耗角正切范圍范圍擴展不確定度范圍擴展不確定度單晶石英20GHz~110GHz2~100.5%—1.0%1.0E-04~0.052.5%tanδ+2.5E-05微波介質(zhì)陶瓷20GHz~110GHz10~200.5%—1.0%1.0E-04~0.052.5%tanδ+2.5E-056.3其他設備表3其他設備及校準規(guī)范序號主要設備測試項目測試要求設備校準規(guī)范1網(wǎng)絡分析儀測試頻率10MHz~10GHz參考JJF1495-2014動態(tài)范圍≥100dB方向性≤50dB頻率準確度±10ppmS21幅度≤0.0092千分尺讀數(shù)分辨率≤0.001mm參考JJG21-2008測試前，需保證測試所用的設備經(jīng)過校準，符合本規(guī)范要求。需依據(jù)表3所示的設備校準規(guī)范對測試設備進行校準。7校準項目和校準方法7.1校準項目7.1.1相對介電常數(shù)實部7.1.2損耗角正切7.2校準前準備7.2.1外觀檢查準光腔介電常數(shù)測量系統(tǒng)（網(wǎng)絡分析儀、半共焦型準光腔/共焦型準光腔/半球形準光腔）應具有下列標志：儀器名稱、型號、制造廠名、出廠編號及出廠日期，出廠合格證書和儀器說明書齊備。7.2.2工作正常性檢查設備及附件的所有連接均緊固良好，運動部件靈活、平穩(wěn)，測量系統(tǒng)通電并啟動后能正常運行，電腦軟件運行正常。7.3校準方法7.3.1相對介電常數(shù)實部（1）用固體電介質(zhì)標樣對整個準光腔介電常數(shù)測量系統(tǒng)進行校準，選取相對介電常數(shù)實部分別為2~10、10~20范圍內(nèi)的兩個介電常數(shù)數(shù)值作為校準點，分別用對應的兩個固體電介質(zhì)標樣對其進行校準，以覆蓋準光腔介電常數(shù)測量系統(tǒng)的介電常數(shù)測試范圍。（2）開機：開啟網(wǎng)絡分析儀及諧振腔的電源，預熱30min，使準光腔測試系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；（3）空腔測試：打開測試軟件，選擇“空腔測試”菜單并選擇測試頻段，共焦準光腔兩球面鏡移動到對應位置（半球準光腔和半共焦準光腔無需調(diào)整）。設置網(wǎng)絡分析儀測量參數(shù)為“S21”，根據(jù)測試頻段選擇網(wǎng)絡分析儀的起始頻率、終止頻率和測量點數(shù)。設置適當?shù)闹蓄l帶寬（通常為100MHz），使用Marker功能測量諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，調(diào)節(jié)耦合探針深度使S21耦合強度＜-35dB，測量并記錄諧振腔的空腔諧振頻率f0和空腔品質(zhì)因數(shù)Q（4）固體電介質(zhì)標樣測試：放置樣品（共焦準光腔—將樣品置于樣品架，半球準光腔—平面鏡平開多孔處，半共焦準光腔—平面鏡中心），選擇樣品測試菜單，讀取對應的空腔校正文件，根據(jù)頁面提示輸入樣品名稱及樣品厚度，運行樣品測試程序，調(diào)整樣品位置找到S21頻率顯示極值的位置并進行固定，讀取此時對應的有載諧振頻率fs及有載品質(zhì)因數(shù)Q（5）數(shù)據(jù)計算：根據(jù)空腔諧振頻率f0、空腔品質(zhì)因數(shù)Q0、有載諧振頻率fs、有載品質(zhì)因數(shù)Qs、樣品厚度t，通過超越方程運算求解折射率（6）重復測試步驟（2）~（5），完成其他固體電介質(zhì)標樣的測試。7.3.2損耗角正切（1）用固體電介質(zhì)標樣對整個準光腔介電常數(shù)測量系統(tǒng)進行校準，選取損耗角正切在0.0001~0.05范圍內(nèi)的兩個損耗角正切數(shù)值作為校準點，分別用對應的兩個固體電介質(zhì)標樣對其進行校準，以覆蓋準光腔介電常數(shù)測量系統(tǒng)的損耗角正切測試范圍。（2）重復7.3.1中（2）~（5）步驟測試固體電介質(zhì)標樣損耗角正切。（3）根據(jù)空腔諧振頻率f0、空腔品質(zhì)因數(shù)Q0、有載諧振頻率fs、有載品質(zhì)因數(shù)Qs、樣品厚度t，（6）重復測試步驟（2）~（5），完成其他固體電介質(zhì)標樣的測試。8校準結(jié)果校準結(jié)果應在校準證書上反映。校準證書應準確、客觀的報告校準結(jié)果，校準結(jié)果以校準數(shù)據(jù)、校準曲線等形式給出。校準證書應包括委托方要求的、說明校準結(jié)果所必需的和所用方法要求的全部信息。校準證書應至少包括以下信息：a）標題：“校準證書”；b）實驗室名稱和地址；c）進行校準的地點（如果與實驗室的地址不同）；d）證書的唯一性標識（如編號），每頁及總頁數(shù)的標識；e）客戶的名稱和地址；f）被校對象的描述和明確標識；g）進行校準的日期，如果與校準結(jié)果的有效性和應用有關時，應說明被校對象的接收日期；h）如果與校準結(jié)果的有效性應用有關時，應對被校樣品的抽樣程序進行說明；i）校準所依據(jù)的技術規(guī)范的標識，包括名稱及代號；k）校準環(huán)境的描述；l）校準結(jié)果及其測量不確定度的說明；m）對校準規(guī)范的偏離的說明；n）校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務或等效標識；o）校準結(jié)果僅對被校對象有效的聲明；p）未經(jīng)實驗室書面批準，不得部分復制證書的聲明。9復校時間間隔建議復校時間間隔為12個月。由于復校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此，送校單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復校時間間隔。10附錄

附錄A***準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)校準報告原始記錄（參考格式）準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)校準報告格式示例見表A.1。表A.1準光腔法介電常數(shù)測量系統(tǒng)校準報告格式示例委托單號樣品編號設備名稱設備廠家