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》征求意见稿

ICSXX.XXX.XX

XXX

团体标准

T/CSTMXXXXX-202X

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

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—202X

前言

本文件是按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出

的规则起草。

请注意本文件的某些内容有可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本文件由中国材料与试验团体标准委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）提出。

本文件由中国材料与试验团体标准委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）归口。

II

T/CSTMXXXXX—202X

引言

移动通信产业的技术演进每10年一代，5G将成为下一代最主要的移动通信技术。随着5G发展的

不断深化，毫米波技术将成为未来发展的主要方向。而伴随着毫米波技术的应用，给材料产业带来了新

的挑战和机遇，介电性能是材料在毫米波频段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。

开放式共聚焦谐振腔与其他测试方法相比，具有测试效率高、夹具制作简单、测试精度高、测试频

段宽、适用于高频低损耗样品等特点，除介质基板类材料外，还适用于薄膜类材料的自动、连续化测试。

本文提出了使用开放式共聚焦谐振腔进行毫米波频段材料的介电性能的测试方法，涉及相对介电常数实

部、损耗角正切值的检测方法，提供了适用于各类材料的自动测试方法。

III

T/CSTMXXXXX—202X

毫米波频段材料介电性能测试开放式共聚焦谐振腔法

1范围

本文件规定了测试频率在20GHz-110GHz范围内的固体电介质、复合板材、工程塑料等材料的相

对介电常数实部和介电损耗角正切的测量方法。其中，相对介电常数实部的测量范围在2-30，介电损

耗角正切的测量范围为0.05-0.0001。

本文件适用于测量氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氮化硼、碳化硅、钛酸钡等无机材料，PCB

等有机无机复合板材，PTFE、PS等有机工程塑料的相对介电常数实部和介电损耗角正切的测量，也适

于其他类似固体电介质、复合板材、工程塑料材料及其LCP、MPI等薄膜样品的相对介电常数实部和

损耗角正切的测量。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T31838.1-2015固体绝缘材料介电和电阻特性第1部分：总则

GB/T31838.6-2021固体绝缘材料介电和电阻特性第6部分：介电特性(AC方法)相对介电常数和

介质损耗因数(频率0.1Hz~10MHz)

JISR1660-2:2004毫米波段精细陶瓷介电性能的测量方法-第2部分：开放式谐振腔法术语和定义

3术语和定义

GB/T31838.1-2015、GB/T31838.6-2021和JISR1660-2:2004中界定的以及下列术语和定义适用

于本文件。

3.1介电性能dielectricproperties

在给定频率范围内用交流电压测量出的材料综合特性。

[来源：GB/T31838.1-2015，有修改]

3.2绝对介电常数absolutepermittivity

电通密度除以电场强度的商。

[来源：GB/T31838.6-2021]

3.3相对介电常数relativepermittivity

绝对介电常数与真空介电常数的比值。

[来源：GB/T31838.6-2021]

3.4相对复介电常数relativecomplexpermittivity

稳定的正弦场下,以复数表示的介电常数。

[来源：GB/T31838.6-2021]

1

T/CSTMXXXXX—202X

3.5介质损耗因数dielectricdissipationfactor

损耗角正切值�l�o�s�stangent𝑡𝑎

复介电常数的虚部与实部的比值。

[来源：GB/T31838.6-2021]

3.6束腰半径waistradius

开放式谐振�0腔中的电磁场强度分布是高斯分布，并且光束在两个球体的中心处变窄，当电场强度衰

减到中心值的1/e的直径称为束腰直径。

[来源：JISR1660-2:2004]

4测量原理

将曲率半径为R0，球面镜横截面圆的半径为a，且两个金属凹球面镜底部连接可移动的机械传输装

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口径中心点连线重合，构成开放式共聚焦谐振腔。

两个凹球面镜的中心处设样品支架，支架底部连接机械传输装置触点，样品平面与凹球面镜之间距

离Dq可调；双球面光学腔的波导孔开在两个凹球面镜上，一侧为输入波导，一侧为输出波导，其结构

如图1所示：

图1开放式共聚焦谐振腔示意图

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（有

载值）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，可以计算出样品的相对介电常数实部和介电损耗角正切tanδ。

�'

�

5测试条件

5.1测试的大气条件

温度：21℃~25℃；

相对湿度：40%~60%；

6设备和仪器

2

T/CSTMXXXXX—202X

本实验适用的设备和仪器如下：

6.1开放式共聚焦谐振腔

6.1.1技术要求

稳定工作条件：＞（球面镜的曲率半径，为两镜之间的腔长）

光学菲涅耳数：F＞4

�0��0�

6.1.2设备参数

开放式半球型谐振腔中各部件具体参数见表1。

表开放式共聚焦谐振腔参数

序号名称1参数单位

开放式共聚焦电磁波测试频率：20GHz-110GHz

1/

谐振腔空腔品质因子：≥60000

2球面镜粗糙度Ra0.050

3马达的解析度<0.1μm

4球面镜加工要求R0±10μm

6.2网络分析仪

测试频率：10MHz-110GHz；

动态范围：≥100dB；

方向性：≤50dB。

6.3螺旋测微计

读数分辨率：优于0.001mm。

7校准

7.1测量系统

测试前需用参考样品验证系统准确性和稳定性，参考样品可选用氧化铝或等效样品。

7.2螺旋测微计

螺旋测微计的分辨率优于0.001mm，用于测量样品厚度和直径，需在校准有效期内。

8测试步骤

8.1样品准备

8.1.1样品要求

3

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测试用样品应符合下列条件：

a）测试试样为大面积方形薄片板状样片，试样长宽为80mm-100mm，允许误差2%；

b）试样厚度为0.02mm-1mm，允许偏差2%；

c）试样应经细磨或抛光，表面应平整、清洁；

d）试样翘曲度为H/L≤0.005，H为翘起的高度，L为翘起面板的长度，放在玻璃平台上用游标卡

尺检测。

8.1.2试样预处理

试验前，所有试样应置于温度为21℃~25℃、相对湿度为40%~60%的环境中，预处理至少24h。

但是，如果样品最近被蚀刻或置于过高的湿度环境下，则应将样品置于空气循环烘箱中于103℃~107℃

条件下干燥2h，然后再按上述条件进行预处理。

8.2介电特性的测量

1）样品厚度测量：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5mm~10mm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；

2）开机：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）空腔校正：打开测试软件，选择空腔校正菜单，选择需测试频段，并在所选频段内对网络分析

仪进行空腔校正，自动测试程序读取不同频率下的空腔谐振频率及空腔品质因子，空腔校正完毕后进行

空腔校正数据的保存；

4）样品测试：将样品置于样品架上并进行固定，选择样品测试菜单，读取对应的空腔校正文件，

根据页面提示输入样品名称及样品厚度，运行样品测试程序，自动测试程序在不同频段的有载谐振频率

点附近处自动读取S21最大值处的有载谐振频率及有载品质因子，并对测试数据进行保存。通过超越方

程运算求解折射率n从而得到相对介电常数实部，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。谐振频率、相对介电常数实部及损'耗角正切值计算公式参见附录A，测试示例参见附

�

录B。

𝑡��

9不确定度分析来源分析

9.1相对介电常数实部的不确定度来源分析

1）介电常数测量重复性引入的不确定度分量；

2）设备校准引入的不确定度��1

9.2损耗角正切值的不确定度来源��1

1）损耗角正切值测量重复性引入的不确定度分量，此分量中包含了样品材质的不均匀性、人员

操作、样品加工及试验条件的差异等因素；��2

2)设备校准引入的不确定度分量；

��2

10报告

报告包括但不限于下列内容报告格式参见附录C。

a）测试环境的温度和湿度；

b）测试频率；

4

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c）测试频率下的相对介电常数和损耗角正切值；

d）试样的预处理；

e）测试过程中的任何异常或本测试方法的变化；

f）设备信息（设备名称，型号，编号）和样品信息（制样等）。

5

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附录A

（资料性）

谐振频率、相对介电常数实部及损耗角正切值计算公式

A.1谐振频率

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，因此腔内的谐振频率可表示为公式（1）：

��

��（）

1........................................................A.1

�1−1�2

式中：��=2��+1+�𝑡�(�0−�)

－谐振频率，单位Hz；

－光速，单位mm/s；

��

－球面镜的曲率半径，单位mm；

�－两球面镜之间的距离，单位mm；

�0

－对应TEM00q模式的轴向模式数；

�

A.2�相对介电常数实部

共聚焦光学腔中存在两种电场模式，根据电场是否对称可分为对称式（q为奇数，又叫奇模或者S

模）和非对称式（q为偶数，又叫偶模或者A模），其介电常数计算公式（A.2）和（A.3）分别如下所

示：

对称式，S模式时：...............................（A.2）

1

�𝑐�𝑛�−��=𝑡���−𝑘

非对称式，A模式时：................................(A.3)

1

�𝑡�𝑛�−��=−𝑡���−𝑘

式中：

；

�=2���/�；

−1�

��=𝑡���0

；

−1�−1�

𝑘=𝑡�(�0)−𝑡���0

；

22

�0=��(�0−�)

；

222�2

�(�)=�01+(��0)

；

2

''

�0=�(�0；−�)

�=��−�；

�

'2

�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；

6

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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；

图2开放式半球型谐振腔测试双层电介质示意图

A.3损耗角正切值

c)损耗角正切值计算公式如式（A.4）所示：

................................................................................................................（A.4）

1𝑡+�

1

�

式𝑡�中�：=�⋅𝑡+2�𝑠�2(��−𝑘

；

111

��=(𝑘)−(��)

；

2(𝑡+�)

��=�0�(�+1)

对称式，模式下：

S2

�

222

∆=�𝑠�𝑛�−��+𝑐�𝑛�−��

非对称式，模式下：

A2

�

222

Qd－放入样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

7

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附录B

（资料性）

介电性能测试示例

B.1测量样品厚度

用螺旋测微计测量样品A的厚度t，如图B.1所示，测试点包含样品外侧5mm~10mm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t。

图B.1样品厚度测试示意图

B.2开机

开启网络分析仪及开放式共聚焦谐振腔的电源，预热30min，使系统进入稳定工作状态。

B.3空腔校正

打开自动化测试程序，选择测试频段，选择网络分析仪初始化，进行空腔校正，读取不同频段下的

空腔谐振频率及与之对应的空腔品质因数数值并保存。

B.4样品测�试0�0

B.4.1谐振曲线拟合

将样品A置于样品架的中心，自动化程序控制调节样品发生位移，通过调节“eigenFreqspan”值进

行初步谐振曲线拟合，得到不同频段的拟合有载谐振频率(TEM00qmode)，之后自动化程序控制样品A

回归初始位置。

B.4.2结果测量

自动化程序控制调节样品发生位移，在不同频段的拟合有载谐振频率点附近自动抓取S21最大值（对

应电场最强处），并记录此频段下的实测的有载谐振频率及有载品质因子。通过超越方程运算求解

折射率n，从而得到相对介电常数实部，通过加载前后品质因数变化推导求解样品的损耗角正切值

����

。'

ε�

𝑡�B�.5测试结果

样品A的相对介电常数实部测试结果如表B.1所示，其中、分别表示相对介电常数实部、

损耗角正切值的结果：'

ε�𝑡𝑎

表B.1相对介电常数实部测试结果

测试频率/GHz

202.4'85.77E-4

ε�𝑡𝑎

8

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302.444.04E-4

402.415.20E-4

502.388.55E-4

602.433.14E-4

702.332.14E-3

802.431.73E-3

902.731.26E-3

1003.158.06E-4

1103.516.18E-4

9

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附录C

（资料性）

测试报告格式示例

毫米波频段材料介电性能检测报告格式示例见表C.1。

表C.1毫米波频段材料介电性能检测报告格式示例

委托单号样品编号

设备名称设备厂家

设备型号设备编号

夹具名称夹具型号

方法依据环境条件温度：湿度：

物料名称：；材料尺寸：；

材料厚度：=；=；=；=；=；=

前处理条ℎ1件ℎ2ℎ3ℎ4ℎ5ℎ

测试条件

测试结果：

相对介损耗角空腔谐振空腔品质有载谐振有载品质

编号电常数正切值频率因子频率因子备注

实部/GHzfs/GHzQs

𝑡𝑎���0

'

1ε�

2

3

4

5

6

7

8

9

10

测试人：复核人：测试日期：

10

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附录D

（资料性）

起草单位和主要起草人

本文件起草单位：山东国瓷功能材料股份有限公司、中国计量科学研究院

本文件主要起草人：

11

T/CSTMXXXXX—202X

参考文献

[1]SJ/T11067-1996红外探测材料中半导体光电材料和热释电材料常用名词术语

[2]GiuseppeDiMassa.MicrowaveOpenResonatorTechniques—PartI:Theory,MicrowaveMaterials

Characterization[M].London:IntechOpen,2012.

[3]HSuzuki,TKamijo.Millimeter-WaveMeasurementofComplexPermittivitybyPerturbation

MethodUsingOpenResonator[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2008,57(12):

2868-2873.

[4]戈鲁，赫兹若格鲁著（周克定等译）.电磁场与电磁波[M].北京：机械工业出版社，2006.

_________________________________

12

目次

前言................................................................................II

引言...............................................................................III

1范围.................................................................................1

2规范性引用文件.......................................................................1

3术语和定义...........................................................................1

4测量原理.............................................................................2

5测试条件.............................................................................2

6设备和仪器...........................................................................2

7校准.................................................................................3

8测试步骤.............................................................................3

9不确定度分析来源分析.................................................................4

10报告.................................................................................4

附录A（资料性）谐振频率、相对介电常数实部及损耗角正切值计算公式........................6

附录B（资料性）介电性能测试示例.......................................................8

附录C（资料性）测试报告格式示例.......................................................10

附录D（资料性）起草单位和主要起草人...................................................11

参考文献..............................................................................12

I

T/CSTMXXXXX—202X

毫米波频段材料介电性能测试开放式共聚焦谐振腔法

1范围

本文件规定了测试频率在20GHz-110GHz范围内的固体电介质、复合板材、工程塑料等材料的相

对介电常数实部和介电损耗角正切的测量方法。其中，相对介电常数实部的测量范围在2-30，介电损

耗角正切的测量范围为0.05-0.0001。

本文件适用于测量氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氮化硼、碳化硅、钛酸钡等无机材料，PCB

等有机无机复合板材，PTFE、PS等有机工程塑料的相对介电常数实部和介电损耗角正切的测量，也适

于其他类似固体电介质、复合板材、工程塑料材料及其LCP、MPI等薄膜样品的相对介电常数实部和

损耗角正切的测量。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T31838.1-2015固体绝缘材料介电和电阻特性第1部分：总则

GB/T31838.6-2021固体绝缘材料介电和电阻特性第6部分：介电特性(AC方法)相对介电常数和

介质损耗因数(频率0.1Hz~10MHz)

JISR1660-2:2004毫米波段精细陶瓷介电性能的测量方法-第2部分：开放式谐振腔法术语和定义

3术语和定义

GB/T31838.1-2015、GB/T31838.6-2021和JISR1660-2:2004中界定的以及下列术语和定义适用

于本文件。

3.1介电性能dielectricproperties

在给定频率范围内用交流电压测量出的材料综合特性。

[来源：GB/T31838.1-2015，有修改]

3.2绝对介电常数absolutepermittivity

电通密度除以电场强度的商。

[来源：GB/T31838.6-2021]

3.3相对介电常数relativepermittivity

绝对介电常数与真空介电常数的比值。

[来源：GB/T31838.6-2021]

3.4相对复介电常数relativecomplexpermittivity

稳定的正弦场下,以复数表示的介电常数。

[来源：GB/T31838.6-2021]

1

T/CSTMXXXXX—202X

3.5介质损耗因数dielectricdissipationfactor

损耗角正切值�l�o�s�stangent𝑡𝑎

复介电常数的虚部与实部的比值。

[来源：GB/T31838.6-2021]

3.6束腰半径waistradius

开放式谐振�0腔中的电磁场强度分布是高斯分布，并且光束在两个球体的中心处变窄，当电场强度衰

减到中心值的1/e的直径称为束腰直径。