复介电常数是描述材料电磁特性的重要特征参数,每种材料都有其特殊的节电特性。随着电介质材料在材料科学、微波工程、电磁学、生物医学、电子技术、航空技术等领域的广泛应用,对介电常数的测量有了更多更高的要求。国内外对介电常数的测试方法可以说是遍及民用、工业、国防等各个领域,多种多样,并还在不断地发展和完善中。每种测试方法都有其优缺点及不同的适用范围,目前对常用测试方法还没有一个系统的分类。
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。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。
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此种测试方法,可测试70kHZ~110MHz频段下材料的介电常数和介质损耗因素。
北京航天伟创 LDJD-C介电常数仪
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。
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。
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