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此外国家标准中给出了在90°
C、工频条件下测量液体损耗角止切及介电常数的方法⑼。
对于气体,具体测试方法少且精度都不十分高。
文献別中给出一种测最方法,以测最共振频率为基础,在LC串联谐振电路中产生震荡,利用数字频率计测量谐振频率,不断改变压强和记录当前压强卜•谐振频率,试后用作图或者•元线性回归法处理数拯,得到电容变化率进而计算出相对介电常数。
表1是测最固体介电常数的国家标准方法(不包括废止的方法)及其对频率、介电常数范阳、材料等情况的要求。
Table1・Nationalstandardmethodformea$Bi*ementof$oKddielectricconstant
«
1.)N*»
体介电驚啟国家标淮方法阳1455
頓牟柜I*
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松注
[GB7”93・2(»
7]篠此棺搭介电京敕和介诟插経角
IF切值的II定方法
工独.咼频
迢咐十境化橡投
[GB75597.19?
刃固余巳介质做枝复介屯病板的测试方法
2-lSGHz
2-20
0.0001-0.005
(GB726,147]冏体电介皈徽放父介电力
2-1$GHz
敘扰法
Wt—WWA
[GB7265247JM体电介坡微渡艾介电寓數的劃试力W•**4匸才IB"
W
3-30GHt
S-100
00002U10C6
开式疫法
vAz1fA
[GB112?
7,11.89]^^电村料介岂當数的列试方法
lkHxxS%
适月丁燃释史村料
【GB11310・S9诋电Wi瓷屮州枇熱虫方法和时口由介电當玫沮应特件加测试
IkHz
适用于乐电RftH料
(GBT12636・3]強波介质基片复介亀
卜20GHz
2-25
0,0005-0.01
[QJ1労0.33]电纶绿帖仓劃电性莞测试加厶匸狈
适用于电绝ftttfr刊
高鎂卜介质损風角正切员相对介电筲数的猜畳
(1MHx以b)
[bJ20512.199:
]»
ai人罚耗网体M料复介电幣数ft曳磴导專測试方払
2-40GHz
2-100
<
1.2
适用大梅耗固体材R
(SJT1147-93]电容器用有机■环庚扼耗角正切值和外电冷敷试验方法
工频.IkHz1MHs
适用于电容58用有KWM
[SJT10142.91]电介质村料微波复介电常救刃试方
4-12GHz
4-80
0.1-1
适用于电介质材料.同知纯终瑞开玮
法同轴统纯端开路法
【srr10】43・91]固体刘介v金申试h法一ffi入胶注
100-1000N121Z
20
0.0002-0.02
迢用于电介贞村料.鱼入腔仏
[SJ/T11M396]电子祓璃其倾外厉按尺和介电律数的测试方法
50-50MHz
适用干电f玻漓
低倾.射频.超握频
适fhts样.t方沈所ma*为1
[SYT6528・2OO2]岩林介屯常敬测量方法
KHt-15MHz,射领为20MIIx-0.27
GHz、屜咼祠为02GHx-3GHr
如表1所示,国家标准中己经对微扰法和开式腔法的过程做了详细介绍,然而对适用频率和介电常数的范闱都有所限制。
所以在不同材料,不同频率的情况卜•,国家标准也给出了相应的典体测量方法。
町见,上面所分析的方法并不是可以随便套用的。
在不同的系统、测量不同的材料、所要求的频率不同的情况下,需要对其具体问题具体分析,这样才能得出最准确的方法。
国家标准测最方法覆盖的频率为50MHz以卜和100MHz到30GHz,町以说是一个较广的频率覆盖范闺,但是不同范闌适用的材料和坏境等都令所不同。
介电常数的覆盖范川是2到100,接近1的介电常数和校高介电常数的测量方法比较稀缺,损耗普遍在10-3到10-4的数量级上。
1.3测量介电常数的几种主要方法
从总体來说,目前测量介电常数的方法主要冇集中电路法、传输线法、谐振法、自由空间波法等等。
其中,传输线法、集中电路法、谐振法等属于实验室测最方法,测最通常是在实验室中进行,要求具有相应的样品采集技术。
另外対于已知介电常数材料发泡后的介电常数通常用经验公式得到削。
卜•面,分别対这几种方法的原理、特点和发展现状等做分别阐述。
1.3.1集中电路法
集中电路法是•种在低频段将右•耗材料填允电容,利用电容各参数以及测量得到的导纳推出介电常数的一种方法。
其原理公式为:
其中,y为导纳,川为电容面枳,为极板间距离,aO为空气介电常数,e为角频率。
为了测量导纳,通常用并联谐振回路测出加(品质因数)和频率,进而推出介电常数。
由于其最高频率会受到最小电感的限制,这种方法的最高频率一般是100MHzo最小电感一般为10nHz左右。
如果电感过小,高频段杂散电容影响太人。
如果频率过高,则会形成驻波,改变谐振频率同时辐射损耗骤然增加。
但这种方法并不适用于低损材料。
因为这种方法能测得的必戌只有200左右,使用网络分析仪测得tan也只在10-4左右。
这种方法不但准确度不高,而且只能测量较低频率,在现有通信应用要求卜己不经常应用。
1.3.2传输线法
传输线法是网络法的一种,是将介质置入测试系统适肖位置作为单端II或双端II网络。
双端II情况2通过测量网络的s参数來得到微波的电磁参数。
图1为双端II传输线法的原理示意图。
传输蘇救用匚衣示.为
r少「也⑵
其中.「表示空气样品的反射系数,Y为传播系数为样品长度。
反射系数町以表示为
Figure1・Theprincipleschematictno-porttransmissionlineinetbod
图1.双端口传输线法原理示意图
其中Q是无样品时传输线的截止频率,对丁-TEM模其中Q是无样品时传输线的截11濒率,对于TEM模传输线,/0=Oo表示为
同时测最传输系数或者反射系数的柑位和幅度,改变样品长度或者测最频率,测出这时的幅度响应,联立方程组就能够求出相对介电常数。
单端II情况下,通过测量复反射系数「來得到材料的复介电常数。
因此常见的方法有填充样品传输线段法、样品填充同轴线终端法和将样品誉于开II传输线终端测最的方法第一种方法通过改变样品长度及测量频率来测最幅度响应,求出£
ro这种方法可以测得传输波和反射波极小点随样品长度及频率的变换,同时能够避免复超越方程和的迭代求解。
但这一种方法仅限于低.中损耗介质,对于高损耗介质,样品屮没有多次反射。
传输线法适用于£
r较大的固体及液体,而对于£
r比较小的气体不太适用。
早在2002年用传输反射法就能够实现对任意厚度的样品在任意频率上进行复介电常数的稳定测量。
NRWT/R法(即基于传输/反射参数的传输线法)的优势是简单、楕度高并且适用于波导和同轴系统。
但该方法在样品疗度足测量频率对应的半个波导波长的整数倍时并不稳定。
同时此方法存在着多值问题,通常选择不同频率或不同厚度的样品进行测量较浪费时间并且不方便。
此外就是对于极薄的材料不能进行高精度测最创。
反射法测最介电常数的最早应用是Decreton和Gardial在1974年通过测量开II波导系统的反射系数推导出待测样品的介电常数。
同轴反射法是反射法的推广和深化,即把待测样品等效为两端II网络,通过网络分析仪测量该网络的散射系数,据此测试出材料的介电常数。
结果显示,同轴反射法在测最高损耗材料介电常数匕有一定町行性,町以测最和计算人多数高损耗电介质的介电常数,対谐振腔法不能测量高损耗材料介电常数的情况右菲常人的补充应用价值(x,Io2006年又提出了一种测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法。
该方法运用了传输线法测量原理,首先测量待测介质损耗,间接得出反射系数,然后由反射系数与介电常数的关系式推出介质的介电常数。
其薄膜町以分为低损耗、高损耗和高反射三类,通过实验证明了三种薄膜的损耗随频率改变基本呈相同的变化趋势,高频稍有差别,允许误差范的内町近似。
该方法切实町行,但不适用丁测量表面粗糙的介质创。
近几年右人提出了新的确定Ka波段毫米波损耗材料复介电常数的磁导率的测量方法并给出了确定样品的复介电常数及磁导率的散射方程。
此方法有下列优点:
1)计算复介电常数及磁导率方程组是去耦合的,不需要迭代;
2)被测量的频率范闱比饮宽;
3)与传统方法相比消除了介电常数测量对样品长度和参考面的位置的依赖竹:
;
4)消除了NRW方法在某些频点测屋的不确定性聞。
还令人将椭圆偏振法的电磁频谱从町见光、红外光扩展到亳米波段。
椭圆偏振法用测量样品反射波或者投射波相对于入射波偏振状态的改变来计算光电特性和几何参数。
亳米波椭圆偏振法得到的复介电常数的虚部比实部低,即计算紂到的虎部有一定误差,但它对椭圆偏振法的进一步研究提供了重要的参考依据冋。
1.3.3谐振法
谐振法是将样品作为谐振结构的一部分来测量介电常数的方法,分为微扰法、全部填充谐振器空间的方法以及部分填充谐振器空间的方法。
全部填充町以用公式⑹來计算
'
7'
(6)
£
*==丄
Q
艮中衣兄复介电猱数实邠.广足复介电Q星M航闵啟•正切.人見无样乩时的
谐报频华。
部分填充主要是为了减小样品尺寸以及材料对于谐振器参数的影响,难以进行精确地计算,-•般用于矫正。
微扰法要求相对较小的尺寸,并且相对频偏要小于0.001,这种情况卞其貝体尺寸形状可用填充因子s表示
$卜任卜心“⑺
其中办是无样品时的谣振频率.q是品质因故.®
是
相对介电當救・八仏)足联甌相对介电常散以及微忧脫•散的函敢.
此时不论形状尺寸如何,只要得到填允因子乂卩町方便求出相对介电常数。
利用此方法可以测量几乎所有的材料的介电常数,但是在校准时要求采用同一形状。
在频率上区分,当频率高J-lGHz时,口J以用波导腔测量介电常数,但足当频率高J-10GHz时,由十基模腔A小等原因,对于介电常数的测量提出了新的挑战。
谐振法的貝体方法有很多,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腔法等。
近年来对于谐振法又有新的方法不断出现和改善。
圆柱腔测量介电常数法是我国在1987年推出的测量介电常数的方法,经过了对测试夹具的研究和开发及对开缝腔体的研究,测试结果更为准确。
梵频率测试范用人约为riOGHzll:
o此外,关于开放腔方法的改进也非常全面和成熟。
开枚腔方法中广泛应用了两块很人平型金属板中圆柱介质构成截止开腔的方法,其対于相对介电常数£
r的测量柑对准确,但对于损耗/fjtan/3的测量误差比较大。
2006年冇人提出截止波导介质腔测量介电常数,町同时测量微波损耗和介电常数,但只能够用来测最相对介电常数大于10的样品則。
同时,因为平行板开式腔法会月一部分能最顺着馈线和上卜金属板之间的结构传输形成辐射损耗,有人提出通过在馈电侧上下金属板间增加短路板用來阻止辐射损耗,并且设计制作了相应系统,町以通过单端II工作,对圆柱形介质进行测试网。
近两年出现了很多对于开式腔的改进和发展。
rh三十八所和东南大学合作的开式腔法自动测量系统,不仅操作简便,而且其测最的相对介电常数以及损耗止切的不确定度小于0.1础和20.4%。
此外肓人提出准光腔法在亳米波和亚亳米波中的应用有高Q值、使用简便、不损伤薄膜、灵敏度高、样品放置容易、能检测人面枳介质复介电常数均匀性等多项优点,但依然只能在若干分离频率点上进行测鼠切。
总而言之,谐振法基本町以测屋所右频率范用内的材料的介电常数,但是现仃方法中对毫米波范閑研究居多:
具冇单模性能好、Q值高、腔加工和样品准备简单、操作方便以及测量精度高等优点:
但是对于损耗正切的测最一直不能十分准确,同时一殷只能在几个分离的频率点上进行测最:
同时内为谐振频率和固有品质町以校准确测最,非常适用于对低损耗介质材料的测最。
谐振法的技术已经比较完善,但是依然有不足之处:
如何确保单频点法的腔长粘确性长期被忽略:
提取相对介电常数的超越方程存在多值解:
依然有较多误差源等
1.3.4自由空间法自由空间法其实也算是传输线法。
它的原理町以参考线路传输法,通过测得传输和反射系数,改变样品数据和频率來得到介电常数的数值。
图2为其示盘图。
自由空间法与传输线法有所不同。
传输线法要求波导壁和被测材料完全接触,而自由空间法克服了这个缺点冋。
自由空间法保存了线路传输法可以测最宽频带范由的优点。
自由空间法要求材料婆有足够的损耗,否则会在材料中形成驻波并且引起误差。
因此,这种方法只适用于高于3GHz的高频情况。
其蚁高频率可以达到100GHzo
介电常数的测量技术已经被应用于生产生活的各个方面,英测量的标准也十分明确。
国标中能够测呈的频率范由已经覆盖50MHz以卜•及100M到30GHz。
但是其对测试材料种类以及介电常数和损耗角的数值范闌右明确观定,使紂各种标准能够应用的范用不是很广泛。
而就测屋方法而言,几种主要的测量方利弊。
集小电路法适用于低频情况:
传输线法频率復盖范闱较广,适用于介电常数校大的材料,其多数方法对于高损和薄膜等材料不太适用,方法简单准确:
谐振法只能在有限频率点下进行测最,适用于低损材料,方法简单准确、单模性好;
自由空间法准确性相对较差,但是可以实现实地测量;
六端口网络法稱度高,六端II网络造价低廉,频率覆盖范[时广,更适用于以后多种多样的测量情况的需要,但是没冇貝体的标准可以参考。
町见并不存在一种方法町以完全代替其他方法,不同的方法都有自己的优点和缺点,在不同的情况下选择具体的方法是十分有必要的。
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可以通谊计噱n进行优化和计尊.
还没右虫鸽的hit.
2热释电效应和热释电系数的测量方法
2.1热释电效应
热释电效应与压电效应类似,热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。
对于具有自发式极化的晶体,当晶体受热或冷却后,由于温度的变化(△"
而导致自发式极化强度变化(△Ps),从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。
该关系町有式表示。
APs=PAT
式中,APs为自发式极化强度变化最;
AT为温度变化:
P为热释电系数。
热释电效应最早在电气石晶体(Na,Ca)(Mg,Fe)SAl^Si^(O,H,F)3中发现,该晶体属三方晶系,具有唯一的三重旋转轴。
与压电晶体一样,晶体存在热释电效应的前提是具有自发式极化,即在某个方向上存在着固有电矩。
但压电晶体不一定貝冇热軽电效应,而热释电晶体则一定存在压电效应。
热释电晶体町以分为两大类。
一类具有自发式极化,但自发式极化并不会受外电场作用而转向。
另一种具有町为外电场转向的自发式极化晶体,即为铁电体。
由于这类晶体在经过预电极化处理后只右宏观剩余极化,且其剩余极化随温度而变化,从而能释放表面电荷,呈现热释电效应。
通常,晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和,其自发极化电矩不能显示出来。
当温度变化时,晶体结构中的正、负电荷巫心产生相对位移,晶体自发极化值就会发生变化,在晶体表面就会产生电荷耗尽。
能产生热释电效应的晶体称为热释电体,又称为热电元件。
热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。
如果在热电元件两端并联上电阻,当元件受热时,则电阻上就有电流流过,在电阻两端也能得到电压信号。
2.2描述热释电系数的两种测量方法
描述热释电系数的两种测最方法。
其一为电荷积分法,测试系统简单,测最数据准确,且能满足零电场条件下的测量。
其二为动态电流法,釆用调制热源技术,研究在特定温度条件下热释电材料的动态热释电响应。
热释电材料目前主要用于红外、激光等热释电探测领域,也广泛地使用在各类辐射计,光谱仪,以及红外、激光探测器等方面。
而热释电系数是测定红外探测器匸作特性的主要参数/一,因此热释电系数的测试方法越來越受到国内外学者的高度重视。
测屋热释电系数的方法冇好几种,早期曾用的方法是测量不同温度下的电滞回线中的自发极化强度PS,得出PS与T的关系曲线,由曲线斜率求出热释电系数Pi的值,这种方法也称为电反转法。
人们自70年代以来,提出了静态法、等速加热法、电荷枳分法、热动态电流法和介质加热法等多种测量热释电系数的基本方法。
其中以电荷枳分法较为简单、准确,且能满足冬电场条件的测量。
另一种测量方法是动态电流法,采用调制热源技术,研究在特定温度条件卜:
被测帚材料的动态热释电响2,'
251-该测试系统可测最在恒温条件卜从铁电陶瓷到聚合物等多种材料的热释电电流响应,还町用于测最钮酸锂和铤酸锂多种儿何形状样品的特性。
本文主要介绍电荷积分法和热动态电流法的测量原理及其测屋系统。
2.2.1电荷积分法
当温度发生变化时,热释电材料的自发极化强度PS随温
dr
f(IPs
度前变化率dPS/dT,一般称为热释电系数Pi,即:
(1)随着温度的变化,样品电极上所引起的电荷为:
471
△q二I/p<
ir=oJPadr=apAt
(2)
其中
由式
(2)可求出热释电系数:
式中:
AT为时间
△t内的温度变化;
ip为热释电电流;
A为样品的电极面枳。
由式(3)町以看出,只要测出温度范阳内的热释电电荷AQS,即町确定热释电系数Pi。
电荷积分法的测屋电路如图1所示。
图1电荷枳分法测试电路
图中Cx为待测样品,Cf为经过校正的反馈电容。
样品在加热过程中所产生的热释电电荷AQS将传输至反馈电容Cf上。
由于积分器的输出电压为:
因此可得热释电系数:
将输出电乐和热电偶的信号同时记录,可得输出电压与温度的关系曲线△U(T),根据曲线斜率町以确定热释电系数Pi及其与温度的关系曲线Pi(T)o为了减少运算放人器失调及漂移的影响,常常在运算放人器Z前加一级差分电路,以提高枳分器的输入阻抗及灵敏度。
2.2.2动态电流法
由Byer和Roundy介绍的热释电系数测量方法己彼人多数人所接受2326\该方法是
在测呈过程中以极其缓慢的线性速率使样甜加热或冷却,以实现块状样晶温度随时间的变化为已知恒量。
己知样品的面枳为A,测量直流热释电电流ip,由于dT/dt町认为是常数,因
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