毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法 准光腔法 标准文本

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

毫米波频段介电常数和介质损耗角正切

测试方法——准光腔法

Measurementmethodfordielectricconstantanddielectriclosstangentin

millimeterwavefrequencyrange:Quasi-opticalcavitymethod

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—2022

前言

本文件参照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》，GB/T20001.4

—2015《标准编写规则第4部分：试验方法标准》给出的规则起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国材料与试验团体标准委员会XXXX领域委员会（CSTM/FCXX）提出。

本文件由中国材料与试验团体标准委员会XXXX领域委员会（CSTM/FCXX）或技术委员会

（CSTM/FCXX/TCXX）归口。

2

T/CSTMXXXXX—2022

引言

本标准采用准光腔变频法进行测试，规定25GHz~110GHz宽带范围内的介电常数和介质损耗角

正切以及介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法。对比国内外现有标准情况，本标准改进优

化的地方：a）根据发展需求，添加复介电常数的温漂测试（TCDk、TCDf）标准（-65℃~125℃），补

充国内标准欠缺；b）细化了测试步骤，提高测试的一致性和可重复性；c）描述了在试验过程中影响试

验结果的注意事项。

3

T/CSTMXXXXX—2022

毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法——准光腔测试法

重要提示（危险或警告或注意）：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未

指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的

条件。

1范围

本文件规定了利用准光腔测定介质基板毫米波波段的介电常数和介质损耗角正切。

本文件适用于测试片状固体材料在毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切。

测试频率范围：𝑓=25GHz~110GHz；

测试介电常数范围：휀𝑟=2.0~20.0；

测试损耗角正切值范围：tan훿=1.0×10−4~1.0×10−2；

测试温度范围：-65℃~125℃。

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/T2036-94印制板电路术语

3术语和定义

GB/T2036-1994界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

介电常数dielectricconstant

规定形状电极之间填充电介质获得的电容量于相同结构电极间以真空或空气介质时的电容量之比。

[来源：GB/T2036-1994，6.3.6]

3.2

介质损耗角正切dielectricdissipationfactor

对电介质施加正弦波电压时，通过介质的电流相量超前于电压相量间的相角的余角称为损耗角，对该损

耗角取正切函数值为损耗因数，即为介质损耗角正切值。

[来源：GB/T2036-1994，6.3.7]

4符号和缩略语

휀𝑟：介电常数，同义词：Dk

tan훿：介电损耗角正切，同义词：Df

c：光速，2.998×1011mm/s

4

T/CSTMXXXXX—2022

：束腰半径

R0：球面镜的曲率半径

：腔长，平面反射镜和球面反射镜间的距离

휀：真空介电常数

：真空磁导率

：样品表面和球面反射镜间的距离

：谐振角频率

：样品材料折射率

：放入待测样品后准光腔品质因数

：放入待测样品前无载准光腔品质因数

W：准光腔内部储能

P：一个周期内谐振腔内部平均的损耗功率

-6

TCDk：介电常数휀𝑟的温度系数，10/℃

-6

TCDf：介电损耗角正切值tan훿的温度系数，单位10/℃

T1、T2：测试温度，℃

Dk(T1)：T1温度下的介电常数

Dk(T2)：T2温度下的介电常数

Df(T1)：T1温度下的介电损耗角正切值

Df(T2)：T2温度下的介电损耗角正切值

5原理

本文件准光腔测试方法采用变频法进行测试，准光腔谐振腔由一球面镜和一平面镜构成，通过测量

空腔和加载样品后的谐振频率变化以及腔体品质因数Q值的变化，计算被测样品的介电常数和介质损

耗角正切。

图1准光腔结构图

详细测试原理见附件A。

6试验条件

本试验测试条件为温度：23℃±2℃，湿度：50%±5%，试验时环境温度的波动不应超过1℃。

5

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7仪器设备

本试验所需适用于规定程序的仪器设备如下：

a)矢量网络分析仪。矢量网络分析仪的频率范围应覆盖25GHz至110GHz。

b)准光腔变温测试系统。

c)温度控制仪。

d)低温恒温反应浴。

e)真空泵。

f)高温干燥箱，温度能满足105℃﹢5℃/-2℃。

g)千分尺，分辨率0.001mm或更好。

8样品

本方法规定的试样如下：

a)试样尺寸应当为直径50mm的圆片状样品或者50mm×50mm的正方形片状样，厚度1mm~3mm。

b)若基板为表面覆金属箔，应当用蚀刻方法去除掉所有的金属箔并清洗干净。

c)样品的平面度应优于0.02mm。

d)样品应为均匀介质，表面光滑平整洁净，内部无不正常的杂质和气孔，在测试前应严格清洁和

干燥处理。

9试验步骤

9.1样品预处理

具体流程如下：

a)根据样品属性，选择酒精、异丙醇或者蒸馏水（特殊情况可根据基板制造商要求使用指定的清

洗液）作为清洗液，将样品完全浸入清洗液中超声清洗不低于10min。

b)样品清洗后，将试样应置于105℃﹢5℃/-2℃高温干燥箱中烘干处理2h＋10min/-0min。

c)烘干后，样品应放入23℃±2℃的干燥皿中冷却至室温，冷却后存储时间不超过45min。

注：操作前应戴上手套或者用镊子夹取样品，请勿用手直接接触样品，请勿在样品上写字或贴标签

等。

9.2测试仪器预备

网络分析仪设备应在制造商推荐的校准周期内进行校准，测试前主机至少开机预热30min，使仪器

达到稳定。

9.3测量样品尺寸

使用千分尺测量样品厚度t，并记录。

注：操作前应戴上手套，请勿用手直接接触样品，请勿在样品上写字或者贴标签，会影响测试结果。

9.4常温测试

本方法测量程序如下：

a)连接矢量网络分析仪，将测试系统与网络分析仪连接。

b)设置扫描频率。

6

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c)根据测试频率，调整屏蔽板高度。

d)空腔校准，测量空腔的谐振频率和品质因数。

e)将样品放置在测试样品台上，并保证样品平整地放置在样品台中央。

f)样品测试，测量包含样品时准光腔的谐振频率和品质因数。

g)计算介电常数和介质损耗角正切，或者使用自动测量读取数据计算软件直接计算。

h)测试不同频段的介电常数和介质损耗角正切，重复步骤b）-g）。

9.5高温测试

本方法测量程序如下：

a)同9.4常温测试a）-c）。

b)密封测试系统。

c)设置温度控制仪测试温度，开始升温，当温度达到设定温度值后，温度稳定至少15分钟。

d)待温度稳定后，空腔校准，测量空腔的谐振频率和品质因数。

e)设置温度控制仪至常温，开始降温，当测试系统达到常温，将样品放置在测试样品台上，并保

证样品平整地放置在样品台中央。

f)重复步骤b）-c）

g)待温度稳定后，开始测试，测量包含样品的准光腔的谐振频率和品质因数。

h)计算介电常数和介质损耗角正切，或者使用自动测量读取数据计算软件直接计算。

i)测试不同温度的介电常数和介质损耗角，先将测试系统降温至常温状态，重复步骤a）-h）。

9.6低温测试

本方法测量程序如下：

a)打开低温恒温反应浴，调成制冷模式，设置所需达到的温度，一般低温恒温反应浴温度设置为

低于测试温度20℃以上，对低温恒温反应浴进行降温处理。

b)同9.4常温测试a）-c）。

c)密封测试系统，并对测试系统适当抽真空。

d)设置温度控制仪测试温度，开始降温，当温度达到设定温度值后，温度稳定至少15分钟。

e)待温度稳定后，空腔校准，测量空腔的谐振频率和品质因数。

f)设置温度控制仪至常温，开始升温，当测试系统加热至常温，将样品放置在测试样品台上，并

保证样品平整地放置在样品台中央。

g)重复步骤c）-d）

h)待温度稳定后，开始测试，测量包含样品准光腔的谐振频率和品质因数。

i)计算介电常数和介质损耗角正切，或者使用自动测量读取数据计算软件直接计算。

j)测试不同温度的介电常数和介质损耗角，先将测试系统升温至常温状态，重复步骤a）-i）。

注：低温测试时，需要同时向测试系统注入保护气体（氮气），保证测试空间内不存在结霜或者结

冰现象。

10计算公式

10.1介电常数휀𝑟的计算公式：

tan[푡𝑟(푡)]=tan[(푡)]………………..………（1）

2

휀𝑟=……………….……..……………….（2）

7

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式中：

−1𝑡

𝑟(푡)=tan()………….…..……………….（3）

푛0

𝑡

푑+

−1푛−1𝑡

(푡)=tan()tan()……………….……..…（4）

0푛0

2𝑡𝑡

2=√(+)(𝑅)……………….……...…（5）

𝑘푛2푛

𝑡𝑡

푠=√(+)(𝑅)……………….……..…….（6）

푛푛

=푡……………….……..……………….（7）

=√휀……………….……..…………….（8）

10.2介电损耗角正切tan훿的计算公式

1𝑡+푑

tan훿=……..……………….（9）

𝑡+2(𝑘푑−(𝑡))

2

111

=……………….……..………（10）

0

2(𝑡+푑)

=……………（11）

(+1)

푛2

=222…..……………（12）

푛(푛𝑘𝑡−(𝑡))+(푛𝑘𝑡−(𝑡))

10.3介电常数温度系数：

𝑘()−𝑘()

=2×10………………（13）

(2−)×𝑘()

10.4介电损耗角正切温度系数：

()−()

𝑓=2×10………………（14）

(2−)×()

11附加信息

11.1精度

常温：

|휀𝑟⁄휀𝑟|≤2.5%

−4

|tan훿|≤10%×tan훿+5.0×10

变温：

|휀𝑟⁄휀𝑟|≤2.5%

−4

|tan훿|≤25%×tan훿+2.1×10

8

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注：精度与样品均匀性有关，

11.2维护

a)定期清洁测试头、标准物、夹具。

b)定期清理样品台，使用柔软的小毛刷轻拭样品台表面，切勿按压擦拭。若被测样品如有颗粒粉

末灰尘，需要再测试完毕后立即对样品台进行清理。

c)保持测试夹具内部环境干燥，可在清理样品台后，关闭盖子放置干燥剂，若有条件的可再冲入

氮气1~2s。

d)拆卸电缆、波导时，动作轻柔，使用专用工具拆卸。

11.3注意事项

本方法注意事项如下：

a)测试过程中应佩戴连接至设备的防静电手环。

b)连接矢量网络分析仪电缆时，应使用制造供应商提供的的力矩扳手旋紧。

c)高/低温测试时，被测样品不能与样品台发生反应；不能测试高温状态下会融化的材料。

d)为了预防高/低测试对测试夹具造成的损坏，应定期用标准物对测试系统进行校验。

12试验报告

试验报告应包括：

a)对于室温测试，试验报告应当包括下列内容：

1)测试环境（温度、湿度）；

2)测试频率；

3)样品厚度；

4)测试频率下的介电常数和介质损耗角正切值的测试值以及平均值；

5)试样预处理条件；

6)试验中的异常情况或与规定程序的差异和偏差。

b)对于热温度系数测试，试验报告应当包括下列内容：

1)测试环境（温度、湿度）；

2)测试频率；

3)样品厚度；

4)测试温度（T1、T2）；

5)测试温度（T1、T2））下的介电常数Dk(T1)、Dk(T2)和介质损耗角正切Df(T1)、Df(T2)；

6)介电常数温度系数TCDk和介质损耗角正切温度系数TCDf计算结果；

7)如果需要多个测试温度，报告介电常数和介质损耗角正切值的随温度变化的曲线图；

8)试样预处理条件；

9)试验中的异常情况或与规定程序的差异和偏差。

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附录A

（资料性）

测试原理

A.1介电常数测试原理

准光腔内的场以高斯波束的形式传播，将图1中准光腔内部划分为两个区域，V1表示放入介质区域，V2

表示空气区域。在V1区域，束腰位置可知为z=0，最后得到V1区域的场内：

22

20푛𝑘

1=*2+n*1()++……（1）

()()2()

22

020푛𝑘

1=n√*2+*1()++…………….……（2）

0()()2()

其中参数：

12

푠1==푠

2

22

2()22

1=(1+2)=(1+22)

푠1푠

222

푠1푠

𝑅()=(1+)=(1+)

122

−1−1

1()=tan=tan

{푠1푠

在V2区域，设腰束位置在z=z2处，可得V2区域内的场表达式为：

22

+0𝑘

*2+*(2()+)+

2()2()22()

2={22}…………..………（3）

−0𝑘

+*2+*(2()+)+

2()2()22()

22

+00𝑘

√*2+*(2()+)+

02()2()22()

=………………（4）

222

−00𝑘

+√*2+*(2()+)+

{02()2()22()}

其中参数：

12

푠2==푠

2

()2()2

22222

2()=(1+2)=(1+2)

푠2푠

22

푠1푠

𝑅2()=(2)(1+2)=(2)(1+2)

(2)(2)

()()

−12−12

2()=tan=tan

{푠2푠

R(z)波前曲率半径；高斯波束的相位。

准光腔内的场以高斯波束的形式存在，高斯波束在两个区域的交界处满足边界条件，将分界面处的高斯

22

波束进行参数匹配，即满足z=t时，1(푡)=2(푡),𝑅1(푡)=𝑅2(푡)，带入上式可得2：

푡

=푡

2

在球面反射镜处，曲率半径匹配有𝑅2(푡+)=𝑅,带入上式可得：

10

T/CSTMXXXXX—2022

푠=√(푡+)(𝑅푡+2)

准光腔内边界条件有球面镜处切向电场为零，在介质和空气两个区域的交界处切向电场相等且磁场连续

即有：

2|𝑡+푑=0

{|𝑡=2|𝑡………………..………（5）

|𝑡=2|𝑡

经过化简整理得：

tan[푡1(푡)]=tan[2(푡)+2(푡+)]

通过以上分析可以得到相对介电常数计算公式，再通过实验测得被测样品的厚度t，通过矢量网络分析

仪精确测得谐振参数，将结果代入计算公式，即可得数值解出被测样品的介电常数。

A.2损耗角正切测试原理

准光腔放入样品材料前测得空腔的品质因数为，放入样品后的品质因数为1，则样品损耗引入的品

质因数表达式为：

111

=

1

放入样品后，准光腔内总储能为：

122

푊={∫(휀휀||2+||)푉+∫(휀휀||2+||)푉}

4𝑟11𝑟22

푉푉2

样品材料再一个时间周期内的平均功率损耗为：

1

𝑃=ω휀휀tan훿∫||2푉

2𝑟1

푉

根据品质因数计算公式𝑃=푊/𝑃，联立上述公式，可得介质损耗正切计算公式，Q0s和Q0O都是测量

值，测试时先测得空腔状态下得谐振频率和品质因数，再测量加载样品后的谐振频率和品质因数，将计算得

到的相对介电常数带入损耗角正切值计算公式后得到介质损耗角正切的结果。

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附录B

（资料性）

测试系统

测试系统框图如图2所示。

图2测试系统

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附录C

（资料性）

起草单位和主要起草人

本文件起草单位：

本文件主要起草人：XXXXX

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参考文献

_________________________________

14

T/CSTMXXXXX—2022

目次

前言...............................................................................2

引言...............................................................................3

1范围...............................................................................4

2规范性引用文件.....................................................................4

3术语和定义.........................................................................4

4符号和缩略语.......................................................................4

5原理...............................................................................5

6试验条件...........................................................................5

7仪器设备...........................................................................6

8样品...............................................................................6

9试验步骤...........................................................................6

9.1样品预处理.....................................................................6

9.2测试仪器预备...................................................................6

9.3测量样品尺寸...................................................................6

9.4常温测试.......................................................................6

9.5高温测试.......................................................................7

9.6低温测试.......................................................................7

10计算公式..........................................................................7

10.1介电常数휀푟的计算公式..........................................................7

10.2介电损耗角正切tan훿휀的计算公式.................................................8

10.3介电常数温度系数..............................................................8

10.4介电损耗角正切温度系数........................................................8

11附加信息..........................................................................8

11.1精度..........................................................................8

11.2维护..........................................................................9

11.3注意事项......................................................................9

12试验报告..........................................................................9

附录A（资料性）测试原理............................................................10

附录B（资料性）测试系统............................................................12

附录C（资料性）起草单位和主要起草人................................................13

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T/CSTMXXXXX—2022

毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法——准光腔测试法

重要提示（危险或警告或注意）：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未

指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的

条件。

1范围

本文件规定了利用准光腔测定介质基板毫米波波段的介电常数和介质损耗角正切。

本文件适用于测试片状固体材料在毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切。

测试频率范围：𝑓=25GHz~110GHz；

测试介电常数范围：휀𝑟=2.0~20.0；

测试损耗角正切值范围：tan훿=1.0×10−4~1.0×10−2；

测试温度范围：-65℃~125℃。

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/T2036-94印制板电路术语

3术语和定义

GB/T2036-1994界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

介电常数dielectricconstant

规定形状电极之间填充电介质获得的电容量于相同结构电极间以真空或空气介质时的电容量之比。

[来源：GB/T2036-1994，6.3.6]

3.2

介质损耗角正切dielectricdissipationfactor

对电介质施加正弦波电压时，通过介质的电流相量超前于电压相量间的相角的余角称为损耗角，对该损

耗角取正切函数值为损耗因数，即为介质损耗角正切值。

[来源：GB/T2036-1994，6.3.7]

4符号和缩略语

휀𝑟：介电常数，同义词：Dk

tan훿：介电损耗角正切，同义词：Df

c：光速，2.998×1011mm/s

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