CSTM LX 0000 01011-2022《毫米波频段材料介电性能测试 开放式共聚焦谐振腔法》编制说明

毫米波频段材料介电性能测试开放式共聚焦谐振腔法

CSTM标准编制说明

一、编制标准的目的和意义

介质材料广泛应用于电子通信、航空航天、军事装备等民用和军事领域，介电性能是材料在通

信产业应用的最主要的性能指标。因此，介电性能的测试对于材料生产厂家及下游客户尤为重要。

只有适用的测试方法才能保证数据一致性，减少测试偏差带来的不必要的经济损失。本文件规定了

使用开放式共聚焦谐振腔，在毫米波频段进行材料介电性能测试的具体方法，可满足介质材料的研

究、生产与应用的测试需求。

共有4家单位参与了本次比对，主要目的是验证建立介电性能测试方法的一致性、可靠性，比

对结果通过En评定，结果显示4家单位的比对结果均为合格且离散性很小。

二、工作简况

1.主要参加单位和工作组成员等

本文件由山东国瓷功能材料股份有限公司主导并组织中国计量科学研究院联合起草。

主要成员：宋锡滨、任玲玲、朱恒、孙莹莹、艾辽东、奚洪亮、李硕、杨宏伟、邢晶。

工作过程

2021年9月，开放式共聚焦谐振腔标准起草工作组组建，工作组包括具有标准制定经验的科

研人员、分析技术人员。标准起草工作组讨论了具体的工作过程、拟定了相应的工作计划。经过讨

论，标准的名称为《毫米波频段材料介电性能测试第2部分开放式共聚焦谐振腔法》，本文件的

制定是为了规范毫米波波段电介质材料介电性能的测试，获得准确的介电性能信息，对于介质材料

在毫米波波段介电性能测试技术的标准化具有积极的意义。本标准的具体工作计划如下：

2022年6月，工作组开始起草标准草案和编制说明。

2022年6月，工作组组织专家进行了线上立项答辩，CSTM标准委员会批准立项，立项号为

CSTMLX000001011—2022。

2022年7月至10月，工作组设计比对方案，组织实验室间比对，完成编制说明。

2022年11月，完成征求意见并召开终审会，形成标准报批稿。

2022年12月，委员会投票，上报标委会，标准发布。

三、标准编制原则

2

标准中相应的部分依据的标准编号依据的标准名称

1.《准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草

标准的结构1.GB/T1.1-2020

规则》

仪器方法1.SJ/T11433-20121.《矢量网络分析仪通用规范》

1.《固体绝缘材料介电和电阻特性第1部分：总则》

1.GB/T31838.1-20152.《固体绝缘材料介电和电阻特性第6部分：介电特

标准的术语2.GB/T31838.6-2021性(AC方法)相对介电常数和介质损耗因数(频率0.1

Hz~10MHz)》

3.JISR1660-2-2004

3.毫米波段精细陶瓷介电性能的测量方法-第2部分：

开放式谐振腔法

四、确定标准主要内容的论据

1.标准主要内容确定依据

开放式共聚焦谐振腔是由两个金属凹球面镜组成，且两个金属凹球面镜底部连接可以动的机械

传输装置，按照不同频段两凹球面镜移动到对应位置后固定，此时两镜之间的腔长值为D，同时保

持两镜面的曲率中心连线与两镜面的曲率中心连线与两镜面的口径中心点连线重合，构成开放式共

聚焦谐振腔。

选择开放式共聚焦谐振腔内存在的TEM00q主模模式作为标准工作模式，其在腔内的谐振频率

是由腔参数及腔内的介电常数决定。在确定的测试频率下，置入试样后，谐振腔内样品到凹球面镜

的谐振长度与有载品质因数均发生变化。根据谐振频率、试样厚度、置入试样前后样品到凹球面镜

的谐振长度及有载品质因数，可以计算出样品的介电常数和介电损耗角正切。

标准编制组收集了大量国内外相关资料，查询了国内外相关法律法规和标准方法，优化了开放

式共聚焦谐振腔法对介质材料介电性能的测试条件，为本方法的确定打下了坚实的基础。

2.主要技术路线

样品制备→样品厚度测量→测试空腔谐振频率和空腔品质因子→放置样品，测试有载谐振频率

和有载品质因子→计算介电常数和损耗角正切值→按照比对方案进行比对→比对结果分析。

3.比对方案

3.1比对样品制备

称料→混料→成型→烧结→测试

比对样品分别为：PS、9K7。

3.2样品前处理

3

实验前，试样应置于温度为(23±2)℃、相对湿度为(50±5)%的环境中，预处理至少24小时。

3.3样品测试

3.3.1调节测试环境

环境温度控制在（23±2）℃范围内，相对湿度控制在（40-60）%范围内。

3.3.2VNA预热

开启网络分析仪及谐振腔的电源，预热30min，使系统进入稳定运行状态；

3.3.3试样厚度的测量

用经过校准的精度为0.001mm的千分尺对样品厚度进行测量，测试点包含样品外侧（5~10）

mm处的4个点及样品的中心点，共计5个点。5个点的测试结果取算数平均值，即为测试样品的

厚度；

3.3.4介电特性的测量

网分预热结束后，测试空腔谐振频率和空腔品质因子并进行记录，然后将样品置入开放式共聚

焦谐振腔，测试有载谐振频率和有载品质因子，对测试数据进行记录并保存。通过超越方程运算求

解折射率n从而得到介电常数，通过加载前后品质因数变化推导求解样品的介电损耗角正切。

3.4数据处理'

�𝑡��

3.4.1计算介电常数

）多个连续频段的谐振频率由公式（）计算可得：

afq1

c1D1

fq1tan1(q)2....................................(1)

q

2DqR0Dq

b）介电常数计算公式如式(9)和（10）所示：

对称式，S模式时：(2)

1

�𝑐�𝑛�−��=𝑡���−𝑘

非对称式，A模式时：(3)

1

�𝑡�𝑛�−��=−𝑡���−𝑘

n2..........................................................................................(4)

式中：

；

k2fs/c

t

1；

ttan

nz0

dt

11；

dtan()tan

z0nz0

2

2D(RD)；

0k0

4

2z

222；

(z)01()

k0

2''；

z0d(R0d)

；

dDqt

t

d'd；

n2

R

0－凹球面镜的曲率半径，单位mm；

q－对应TEM00q模式的轴向模式数；

f

q－加载样品后的腔谐振频率，单位Hz；

0－束腰半径，单位为mm；

c－光速，c=3×1011mm/s；

D

q－样品到凹面镜的距离，单位mm；

f－谐振频率，单位Hz；

(z)距离平面镜高度z时的束腰半径，单位为mm；

c)损耗角正切值计算公式如式（11）所示：

1td

tan................................(5)

Q1

etsin2(kd

2kd

式中：

111

()()；

QeQdQl

2(td)

QQ；

l0D(1)

对称式，模式下：

2

�

222

S∆=�𝑠�𝑛�−��+𝑐�𝑛�−��

非对称式，模式下：

2

�

222

Qd－放入样A品后的无载品质因数∆=�𝑐�𝑛�−��+𝑠�𝑛�−��

Ql－放入理想无耗样品的品质因数

Q0－空腔的无载品质因数

3.5比对测试过程

将PS、9K7样品按照标准进行测试，每个样品测试3次，取3次结果的算术平均值为最终结果。

4.实验室间比对

4.1不确定度评定

5

4.1.1测量重复性引入的不确定度

4.1.2试样厚度引入的不确定度

4.1.3谐振频率引入的不确定度

4.1.4逐次逼近算法引入的不确定度

4.2测试数据分析

比对参加单位对样品PS、9K7样品的实验结果如表1、表2所示，En值图如图1、图2所示。

表1样品PS测试数据及分析

比对参加扩展不确扩展不确

单位定度定度

介电常数En介电损耗En

（k=2）（k=2）

12.640.05280.73267.00E-048.35E-050.7346

22.630.039450.81185.20E-041.00E-04-0.2057

32.480.0496-0.68045.04E-046.19E-05-0.4099

42.470.0494-0.77365.33E-046.51E-05-0.2050

表2样品9K7测试数据及分析

比对参加扩展不确扩展不确

单位定度定度

介电常数En介电损耗En

（k=2）（k=2）

16.650.06650.05141.80E-032.05E-040.1690

26.730.033650.97271.90E-031.00E-040.6633

36.610.0661-0.22411.58E-031.80E-04-0.3629

46.580.0658-0.43251.62E-031.85E-04-0.2577

6

图1PS实验室间比对En值图

图29K7实验室间比对En值图

5.比对结果评价

经计算，各家实验室测量结果的不确定度水平相近，故采用4家实验室的测量结果算术平均值

作为参考值，采用En值统计法对测量结果离散性进行评价。根据JJF1117-2010《计量比对》，若|En|

≤1，则参加实验室的测量结果与参考值之差在合理的预期之内，比对结果可接受。从表1、表2

和图1、图2可知，各比对参加实验室的结果均可接收。计算结果说明测量方法可靠、可操作性，

且普遍性好，能保证测量方法的一致性。

7

附录

参加单位与编号对应表

参加单位编号参加单位

1北京无线电计量测试研究所

2电子四院

3山东国瓷功能材料股份有限公司

4台湾工业技术研究院

五、与国际同类标准水平对比情况

日本标准JISR1660-2:2004《毫米波段精细陶瓷介电性能的测量方法-第2部分：开放式谐振

腔法》中使用了开放式共聚焦谐振腔的方法，其测试频率范围为50-300GHz，本标准的频率范围为

20-110GHz。与日本标准相比，本标准可覆盖我国5GFR2波段24.25-52.6GHz，可更好满足样品在

5G通信领域内的测试需求。

六、与有关的现行法律、法规和强制性标准的关系

本部分编制原则符合国家的有关法规法律，与强制性标准协调一致。

七、重大分歧意见的处理经过和依据

暂无。

八、贯彻标准的要求和措施建议（包括组织措施、技术措施、过渡办法等内容）

暂无。

九、废止现行有关标准的建议

因无相关的现行标准，本款不适用。

十、其他应予说明的事项

暂无。

8

毫米波频段材料介电性能测试开放式共聚焦谐振腔法

Measurementofdielectricpropertiesofmaterialsinmillimeterwave

frequency—Confocaltypeopenresonatormethod

编制说明

毫米波频段材料介电性能测试开放式共聚焦谐振腔法

CSTM标准编制工作组

2022年10月14日

编制说明

1

毫米波频段材料介电性能测试开放式共聚焦谐振腔法

CSTM标准编制说明

一、编制标准的目的和意义

介质材料广泛应用于电子通信、航空航天、军事装备等民用和军事领域，介电性能是材料在通

信产业应用的最主要的性能指标。因此，介电性能的测试对于材料生产厂家及下游客户尤为重要。

只有适用的测试方法才能保证数据一致性，减少测试偏差带来的不必要的经济损失。本文件规定了

使用开放式共聚焦谐振腔，在毫米波频段进行材料介电性能测试的具体方法，可满足介质材料的研

究、生产与应用的测试需求。

共有4家单位参与了本次比对，主要目的是验证建立介电性能测试方法的一致性、可靠性，比

对结果通过En评定，结果显示4家单位的比对结果均为合格且离散性很小。

二、工作简况

1.主要参加单位和工作组成员等

本文件由山东国瓷功能材料股份有限公司主导并组织中国计量科学研究院联合起草。

主要成员：宋锡滨、任玲玲、朱恒、孙莹莹、艾辽东、奚洪亮、李硕、杨宏伟、邢晶。

工作过程

2021年9月，开放式共聚焦谐振腔标准起草工作组组建，工作组包括具有标准制定经验的科

研人员、分析技术人员。标准起草工作组讨论了具体的工作过程、拟定了相应的工作计划。经过讨

论，标准的名称为《毫米波频段材料介电性能测试第2部分开放式共聚焦谐振腔法》，本文件的

制定是为了规范毫米波波段电介质材料介电性能的测试，获得准确的介电性能信息，对于介质材料

在毫米波波段介电性能测试技术的标准化具有积极的意义。本标准的具体工作计划如下：

2022年6月，工作组开始起草标准草案和编制说明。

2022年6月，工作组组织专家进行了线上立项答辩，CSTM标准委员会批准立项，立项号为

CSTMLX000001011—2022。

2022年7月至10月，工作组设计比对方案，组织实验室间比对，完成编制说明。

2022年11月，完成征求意见并召开终审会，形成标准报批稿。

2022年12月，委员会投票，上报标委会，标准发布。

三、标准编制原则

2

标准中相应的部分依据的标准编号依据的标准名称

1.《准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草

标准的结构1.GB/T1.1-2020

规则》

仪器方法1.SJ/T11433-20121.《矢量网络分析仪通用规范》