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介电常数常用测量方法有什么

更新时间:2023-05-11      点击次数:1048

1.介电常数测量方法的分类


1.1 按材料属性分类

根据待测样品的材料属性不同,介电常数的测量方法可分为对固体、液体、气体以及粉末( 颗粒) 的测量。固体介电常数的测量方法最多,且已广泛应用在各个领域,目前已有不少国家标准的固体介电常数测量方法推行。它测量的频率覆盖范围为50MHZ 以下和100MHz 到30GHz。相较固体的测量,液体和气体的测试方法较少。对于液体,出行的国家标准较少,常用的测量方法有谐振腔法、同轴探头法、带状电容法和波导反射法进行测量。对于气体,具体测试方法少且精度低,还处在研究发展阶段,目前有通过LC 串

联谐振电路测得电容变化率进而得到介电常数,但精度都不高。

1.2 按激励信号分类

按激励信号的不同,介电常数的测量方法可以分为频域法、时域法和色散傅立叶变换波谱法,它们的激励信号分别为周期函数的正弦波、阶跃函数的脉冲波和白噪声源。这三种测量方法的测量频率范围存在明显的差异性,在射频和微波段只能用频域法和时域法,其中由于频域法测量精度更高使用更加广泛,而傅立叶变化波谱法只适用于远红外亚毫米波段。

1.3 按测试原理分类

根据测试原理的不同,大致可分为谐振腔法和网络参数法。谐振腔采用微扰原理,通过待测介质放入腔体前后的谐振频率f 和品质因数Q 的变化,根据一定算法来计算介质的复介电常数。它主要分为高Q 值法和微扰法,适用于低损耗介质,主要优点在于样品的加载量较大,尺寸较小,是目前具有测试精度最高的测试方法,但其只能用于点频和窄频测量,且操作分析比较复杂。谐振腔法无法检测损耗较大的岩石沙子一类固体混合物,且需对样品加工成片状等。由于样本形状的差异性,目前存在许多类型的谐振腔,常用的有矩形谐振腔、圆柱谐振腔和环形谐振腔。

2 介电常数常用测量方法


一般来说,目前测量介电常数的常用方法主要包括波导法、谐振腔法、自由空间法和神经网络法。下面简要介绍这四种方法的原理、特点和发展现状等。

2.1 波导法

波导法基于经典的NRW 传输/ 反射法原理进行测量,通过矢量网络分析仪(VNA)测得S 常数,根据一定算法计算求解出单次的传输系数与单次反射系数,并依此求解出待测样品的介电常数与磁导率。算法求解不涉及超越方程,容易计算推导,但由于传输系数的相位模糊性会产生多值解和厚度谐振问题,故需要选择合适的样品厚度,一般厚度取1/4 的波导波长[14]。波导法常用于3GHz 以上的高频段测量,测量精度较高,适用于薄片材料测量,但对介质损耗、样本尺寸、表明平整等要求较高,且装置结构比较复杂,需SOLT 校准。

2.2 谐振腔法

谐振腔法的测试原理是通过放置待测介质之前和之后,谐振腔的谐振频率f 与品质因数Q 发生的差异,反推出待测介质的介电常数和磁导率。根据填充程度的不同可分为微扰法、部分填充法和全部填充法。微扰法的测量简单易行,适用于较小尺寸、较低介电常数值和低损耗材料如液体、粉末等的测量,测试精度高。部分填充法一般用于矫正,难以进行精确计算。谐振法的具体方法有很多,如矩形腔法、谐振腔微扰法、微带线谐振器法、带状线谐振器法、介质谐振器法、高Q 值法等,并且不断有新的方法出现和改善。LDJD系列介电常数仪即采用高Q值谐振法。

2.3 自由空间法

自由空间法属于微波法,测试原理参考传输线理论,通过发射天线辐射出电磁波,在自由空间传播并到达待测介质时,利用电磁波传输原理,一部分电磁波在到达待测介质表面时会透射与反射,利用以接收天线为主的接收系统并配合矢量网络分析测得传输和反射系数,并代入后续的算法处理反演推导出待测介质的电磁参数。该方法具有非接触特性和非损坏性,适合高温测试,测量频带范围宽,最高频率可以达到100GHz,,适用于超高频率的毫米波测量,不受待测样品状态限制,主要测量液体薄膜等。但系统设计复杂,样品尺寸大,需对样品进行切片等处理,只适用于高于3 GHz 的高频情况。

2.4 神经网络法

随着计算机技术发展和大数据网络的应用,出现了通过神经网络测量介电常数的方法。其原理是利用大量已知介电常数介质的微波夹具的S 参数对神经网络进行训练后,利用训练好的神经网络对未知介质的介电常数进行分析测量。神经网络法的核心是基于微波夹具的S 参数进行数据的训练。相对于传统的介电常数测量方法,神经网络法结合了微波法和大数据分析法,简化了测试难度,灵活性高,可以有效避免求解过程中的多值问题、S 参数校准问题,适应性较广。但由于不是严格的解析解,测试精度还需提高。总体来讲,基于神经网络法测量介电常数在工程应用中具有很大发展空间。


LDJD系列介电常数仪简介


LDJD系列高频介电常数及介质损耗测试仪能在较高的测试频率条件下,测量高频电感或谐振回路的Q值,电感器的电感量和分布电容量,电容器的电容量和损耗角正切值,电工材料的高频介质损耗,高频回路有效并联及串联电阻,传输线的特性阻抗等。

LDJD系列高频介电常数及介质损耗测试仪适用于塑料、橡胶、陶瓷等电气绝缘材料、高分子复合材料以及漆膜、光学胶OCA等材料的介电常数和介质损耗的测试。搭配液体电极,可测试果汁、植物萃取剂等有机材料或溶剂的介电常数和介质损耗。

常见测试材料:

绝缘导热硅胶、石英晶玻璃、陶瓷片、薄膜、OCA光学胶、环氧树脂材料、塑料材料、FR4 PCB板材、 PA尼龙/涤纶、PE聚乙烯、PTFE聚四氟乙烯、PS聚苯乙烯、PC聚碳酸酯、PVC聚氯乙烯、PMMA聚甲基丙烯酸甲酯等。

常用测试标准:

GB/T 1409-2006 《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波波长在内)下电容率和介质损耗因数的推荐方法》(等效IEC 60250:1969)

GB/T 1693-2007 《硫化橡胶 介电常数和介质损耗角正切值的测定方法》

ASTM D150 《Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation》


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