T-CSTM 00985-2023 低损耗介质板的复介电常数测试 分离式圆柱谐振腔法

Testmethodforthecomplexpermittivityoflow-lossdielectricplates-2023-04-07发布2023- 2 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 8 8 8 8 9 2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。34低损耗介质板的复介电常数测试分离式圆柱谐振腔法题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证本文件规定了介质平板材料在微波和毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切的分离式圆柱谐振腔法，包括原理、环境条件、仪器设备、样品要求、测试步骤、计算公式、注意事项和试验报告等内容。本文件适用于测试片状材料在微波和毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切，电场平行于平板表面。介电常数测试范围：εIr=2.0~10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印制板电路术语GB/T2036界定的以及下列术语和定义适用于本文件。规定形状电极之间填充电介质获得的电容量于相同结构间以真空或空气介质时的电容量之比。[来源：GB/T2036-1994，6.3.6]介电损耗角正切dielectricdissipati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，即为介质损耗角正切值，也称为损耗因数。[来源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]4符号和缩略语下列符号和缩略语适用于本文件。：真空介电常数，约等于8.854187817×10-12F/m:,相对介电常数实部，简称介电常数，同义词：Dk:,介电损耗角正切，同义词：DfH：腔体总高度，mmD：圆柱腔体直径，mmf：谐振频率，HzQ：品质因数TCDk：介电常数的温度系数，单位10-6/℃TCDf：介电损耗角正切值的温度系数，单位10-6/℃T1：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分离式圆柱谐振腔测试方法采用分离式圆柱谐振腔进行测试，分离式圆柱谐振腔由两个直径为D，长度为M，且其中一端短路的两个半腔体构成，典型结构如图1所示。将厚度t、介电常数和介质损耗角正切为和的电介质板样品夹在两个半腔之间，即可构成谐振腔，该谐振腔的谐振频率f和品质因数Q值与介质的和相关。在图1中，图1a)为实际测量时对应的精确模型，图1b)为不考虑法兰边缘效应影响的简化模型。由于法兰处的边缘效应所带来的影响通常较小，所以在测试时采取如图1b)所示模型近似计算，再通过根据如图1a)所示精确模型预先求得的修正曲线得到、的准确值。计算公式参见附录A。在测量时，采用TE01n模式，因此只有与样品平面平行方向的电场分量。a)精确模型b)、谐振腔计算模型图1加载介质的分离腔模型试验环境条件如下：a）温度：23℃±2℃;b）湿度：50%±5%。6所需仪器设备如下：a）矢量网络分析仪，频率范围应覆盖所需最高测试频率，动态范围应大于80dB；b）分离式圆柱谐振腔法测试系统，参见附录B，分离式圆柱谐振腔尺寸设计原则参见附录B.3；d）千分尺，分辨率不低于0.001mm。样品要求如下：a）被测样品横向尺寸应大于等于腔体直径的1.5倍，形状无特殊要求；b）被测样品的厚度t可覆盖0.01mm~10mm（具体视、以及测试的频率范围而定被测区域内厚度差应不超过总厚度的1/100；c）被测样品应为均匀介质，表面应无不正常斑点，内部无不正常的杂质和气孔。9测试步骤9.1样品预处理样品按以下流程进行处理：a)根据样品属性，选择酒精、异丙醇或者蒸馏水（特殊情况可根据材料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，根据样品属性，选择是否对样品进行烘干处理。若无需烘干，则进行步骤c否则，c)样品放入干燥皿中冷却至室温（23℃±2℃);d)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仪器准备矢量网络分析仪应在校准周期内进行检定，按照制造厂家给定的开机预热时间进行预热或至少开机预热30min，使仪器达到稳定。9.3样品尺寸测量使用千分尺测量样品四边中点厚度，共计4个点，取平均值并记录。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空腔校准测试空腔校准测试步骤如下：a)将未加载样品的腔体上下两部分闭合；b)根据测试频率需求选定相应的测试模式；c)设置扫描频率，观察谐振峰值，手动对称调节耦合装置插入谐振腔的深度，使谐振峰值调节到预置的某一位置（建议将谐振峰调节在-50dB(±1dB）或设备要求值d)进行空腔校正，测量空腔的谐振频率和品质因数；e)要校准多个频率，重复步骤9.4b)~9.4d)；f)无特殊要求，空腔校准测试仅需测量TE011和TE012（或TE013）两个模式即可。9.5常温测试常温测试步骤如下：a)将矢量网络分析仪两个端口通过电缆连接，进行直通校准或响应校准；b)根据测试频率需求，将工作于相应频率范围的测试设备与矢量网络分析仪连接；c)进行空腔校准测试，同9.4a)~9.4e)；d)将被测样品夹在两个半腔之间，参见附录B.2中图B.2所示；e)重复步骤9.4b)~9.4c)，进行样品测试，测量加载样品时分离式圆柱腔的谐振频率和品质因数；f)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；g)测试不同频率点的介电常数和介质损耗角正切，重复步骤9.5e)~9.5f)。9.6高温测试高温测试步骤如下：a)见9.5a)~9.5b)；b)密封测试设备；c)设置测试系统温度，开始升温，当温度达到设定温度值后，温度稳定不少于15min；d)待温度稳定后，进行空腔校准测试，同9.4a)~9.4e)；e)设置测试系统至常温（25℃),开始降温，待达到常温后，将被测样品夹在两个半腔之间；f)重复步骤9.6b)~9.6c)；g)待温度稳定后，开始测试，测量加载样品时分离式圆柱腔的谐振频率和品质因数；h)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；i)测试不同温度的介电常数和介质损耗角正切，先将测试系统降温至常温状态，重复步骤9.6b)~9.6h)。9.7低温测试低温测试步骤如下：a)见9.5a)~9.5b)；b)打开测试系统的低温恒温反应浴，调成制冷模式，设置所需达到的温度，一般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；c)密封测试系统，并对测试设备适当抽真空，同时向测试系统注入保护气体（氮气避免结霜或者结冰现象；d)设置测试系统温度，开始降温，当温度达到设定温度值后，温度稳定至少15min；e)待温度稳定后，进行空腔校准测试，同9.4a)~9.4e)；f)设置测试系统至常温（25℃),开始升温，待加热至常温后，停止抽真空和保护气体的注入；g)将被测样品夹在两个半腔之间；h)重复步骤9.7c)~9.7d)；i)待温度稳定后，开始测试，测量加载样品时分离式圆柱腔的谐振频率和品质因数；j)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；k)测试不同温度的介电常数和介质损耗角正切，先将测试系统升温至常温状态，重复步骤9.7b)~9.7j)。8介电常数温度系数按公式（1）计算。介质损耗角正切温度系数按公式（2）计算。注意事项如下：a)定期清洁夹具、标准物；b)定期清理法兰面，使用柔软的小毛刷轻拭法兰面表面，切勿按压擦拭。若被测样品如有颗粒粉末灰尘，需要在测试完毕后立即对法兰面进行清理；c)保持测试夹具内部环境干燥，可在清理法兰面后，关闭盖子放置干燥剂，若有条件的可再充入氮气（1~2）s；d)拆卸电缆、波导时，动作轻柔，使用专用工具拆卸；e)测试过程中应佩戴连接至设备的防静电手环；f)连接矢量网络分析仪电缆时，应使用制造供应商提供的力矩扳手旋紧；g)高/低温测试时，被测样品不能与法兰面发生反应。试验报告应包括但不限于以下内容：a)对于常温测试，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)样品预处理条件；6)试验中异常情况或与规定程序的差异和偏差。b)对于高/低测试，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、T25)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)介电常数和介质损耗角正切值随温度变化的曲线图；8)样品预处理条件；9)试验中的异常情况或与规定程序的差异和偏差。附录A（资料性）介电常数和介质损耗角正切计算A.1腔体参数测量在复介电常数测量之前，由空腔的TE01p和TE01q（通常取TE011、TE012或TE013）谐振模式的测量确定空腔参数，例如D、H=2M和σr。其中，D和H可由两个模式的实测谐振频率，并通过公式（A.1）和（A.2）计算得到： （A.1） （A.2）式中：c——真空中的光速，2.99792458×1011mm/s；D——腔体直径，mm；H——腔体高度，mm；σr——导体电导率与标准铜电导率的比值；fp——TE01p模式对应谐振频率，Hz；fq——TE01q模式对应谐振频率，Hz；p,q——场量沿纵向分布的半驻波个数；——0阶第一类贝塞尔函数导数的第1个根，其值约等于3.83173，对应TE01模。σr由测量值D、H、f1、Quc确定，关系式如公式（A.3）： （A.3）f1——TE011模式的谐振频率，Hz；Quc——TE011模式的空载Q值；σ0——标准铜的电导率，5.8×107S/m；μ0——真空磁导率，约等于4π×10-7N·A-2。A.2近似值的计算公式近似值的计算见公式（A.4）和公式（A.5 …（A.4） （A.5）X—公式（A.6）中方程的第一个根，可由Y值计算出来，满足公式（A.6）方程： （A.6）式中;,当k0-kr<0时，Y用jY代替。A.3近似值tanδa的计算公式近似值tanδa的计算见公式（A.7 （A.7）Rs—腔导体表面电阻率，由下式给出： （A.8）μ和σ—导体的磁导率和电导率；A和B—常数，由公式（A.9）和（A.10）给出： （A.9） （A.10）W1e和W2e—储存在电介质板区域和空气区域中的电场能量；Pcy1公式（A.13）、公式（A.14）和公式（A.15）给出： （A.11） （A.12） （A.13） （A.14） （A.15）和tanδ的精确值计算见公式（A.16）和公式（A.17 （A.16） （A.17）ε'和tanδ—测量不确定度；Δε'和Δtanδ—被估计为均方误差，分别见公式（A.18）和公式（A.19）： （A.18） （A.19）Δε'f,，Δε't,Δε'D和Δε'H—由于f0、t、D和H的标准偏差而导致的ε'的不确定度；Δtanδ—主要归因于Qu和σr的测量误差；ΔtanδQ和Δtanδζ—由于它们的标准偏差造成tanδ的不确定性。ΔΔε/εa'TE模D/H=1.4TE模D/H=1.4'εaTE模ΔA/AΔA/A250.000.040.080.120.1图A.1修正项图A.2修正项（资料性）测试系统连接框图B.1测试系统连接框图分离式圆柱谐振腔法测试系统包含矢量网络分析仪、分离式圆柱谐振腔、温度控制仪、加热装置、低温恒温反应浴、真空泵等，测试系统连接框图如图B.1所示。图B.1测试系统连接框图B.2测试样品安装测试安装夹具示意图如图B.2所示。图B.2测试夹具安装示意图标引顺序说明：1——谐振腔腔壁；2——上半腔体；3——被测介质试样；4——下半腔体；R——谐振腔半径；b——法兰半径；t——样品厚度；M——半腔长度。B.3腔体尺寸为