【導讀】ziranjiezhongdaduoshuwuzhizaiweiboboduandouchengxianweiyousunhaodejueyuanti，chengzhiweidianjiezhi，jianchengjiezhi。jiezhizaidianchangdezuoyongxiadouhuifashengjihuaxianxiang
，jijiezhizaiwaijiadianchangdezuoyongxiaqineibudezhengfudianhexiangzhexiangfanfangxiangfashengweixiaoweiyi
，congerchanshengxuduodianoujiju。jiezhijihuahouzaijiezhineibuchanshengyigejihuadianchang，zhegedianchangdefangxiangyuwaijiadiancichangdefangxiangxiangfan
，daxiaoyujiezhidejihuachengdu
、物質成分和物理狀態，外界溫度頻率等有關。介質的介電常數定義為電通量D與外加電場強度E的比值，是一個用來衡量介質中的電荷在外加電磁場作用下發生極化後的分布情況的一個常量。

一、介電常數介紹

ziranjiezhongdaduoshuwuzhizaiweiboboduandouchengxianweiyousunhaodejueyuanti
，chengzhiweidianjiezhi，jianchengjiezhi。jiezhizaidianchangdezuoyongxiadouhuifashengjihuaxianxiang，jijiezhizaiwaijiadianchangdezuoyongxiaqineibudezhengfudianhexiangzhexiangfanfangxiangfashengweixiaoweiyi，congerchanshengxuduodianoujiju。jiezhijihuahouzaijiezhineibuchanshengyigejihuadianchang
，zhegedianchangdefangxiangyuwaijiadiancichangdefangxiangxiangfan，daxiaoyujiezhidejihuachengdu
、物質成分和物理狀態，外界溫度頻率等有關。介質的介電常數定義為電通量D與外加電場強度E的比值，是一個用來衡量介質中的電荷在外加電磁場作用下發生極化後的分布情況的一個常量。

● 物質在靜電場中（無電磁波時）的介電常數是一個標量，實數

● 物質在交變電場中（有電磁波時）的介電常數是一個複數，如下式：                

介電常數的虛部反映波傳播的損耗（通常以熱能形式損耗），實部反映波傳播時狀態的改變

，如相位，相速，波阻抗等的改變。

常見的描述介電常數特性的還有一個參數，叫損耗角正切。當我們在矢量圖中描述複介電常數時，其實部和虛部呈90°正交關係，二者的矢量和與實軸形成一個夾角
，我們把這個夾角δ稱為損耗角，這個角的正切值稱為損耗角正切，它等於介電常數定義中虛部和實部的比值。損耗角正切還有一個常用的名稱——損耗因數（Df），它等於品質因數的相反數。其物理含義是在一個周期內介質損失的能量和貯存能量的比值。  

介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)是(shi)一(yi)個(ge)由(you)本(ben)身(shen)性(xing)質(zhi)和(he)外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)共(gong)同(tong)決(jue)定(ding)的(de)反(fan)映(ying)介(jie)質(zhi)電(dian)特(te)性(xing)的(de)物(wu)理(li)量(liang)。宏(hong)觀(guan)上(shang)反(fan)映(ying)介(jie)質(zhi)對(dui)電(dian)磁(ci)波(bo)輻(fu)射(she)，散(san)射(she)，反(fan)射(she)，吸(xi)收(shou)，傳(chuan)輸(shu)等(deng)特(te)性(xing)

，微(wei)觀(guan)上(shang)反(fan)映(ying)物(wu)質(zhi)內(nei)部(bu)化(hua)學(xue)和(he)物(wu)理(li)結(jie)構(gou)。通(tong)過(guo)它(ta)將(jiang)介(jie)質(zhi)極(ji)化(hua)的(de)宏(hong)觀(guan)現(xian)象(xiang)和(he)介(jie)質(zhi)的(de)微(wei)觀(guan)結(jie)構(gou)聯(lian)係(xi)起(qi)來(lai)。

介電常數是物體的重要物理性質
，對介電常數的研究有重要的理論和應用意義。今時今日，電氣工程中的電介質問題、電磁兼容問題、生物醫學、微波、電子技術
、食(shi)品(pin)加(jia)工(gong)和(he)地(di)質(zhi)勘(kan)探(tan)中(zhong)，無(wu)一(yi)不(bu)利(li)用(yong)到(dao)物(wu)質(zhi)的(de)介(jie)電(dian)特(te)性(xing)，比(bi)如(ru)在(zai)日(ri)趨(qu)複(fu)雜(za)的(de)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)，大(da)量(liang)的(de)新(xin)材(cai)料(liao)被(bei)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)到(dao)各(ge)種(zhong)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)。作(zuo)為(wei)介(jie)質(zhi)材(cai)料(liao)被(bei)應(ying)用(yong)的(de)場(chang)景(jing)很(hen)多(duo)

，例(li)如(ru)PCB的基板材料
、天線的天線罩、大功率真空器件使用的陶瓷材料、液晶材料等。正因此，對介電常數的準確測量也提出了要求。目前對介電常數測量方法的應用可以說遍及民用、工業、國防軍工的各個領域。典型的應用場景如下表所示：

介電常數測量典型應用

在這些應用場景中，用戶需要對材料的電氣性能，尤其是作為介質的電氣性能有足夠準確的評估和認識，以便縮短設計周期
、提升產品質量。這些性能由一組介電性能參數來描述。通過對介質材料的介電性能進行準確測量，可以為研發、設計和生產場景提供第一手的數據，以便優化設計、改善工藝。

二、測試方法

目前測量介電常數常用的方法主要有網絡參數法
、諧振腔法、平行板電容法
、tongzhoutantoufadengdeng。meizhongceshifangfadouyouzijideshiyongfanwei，bingmeiyouyizhongnenggoushiyongsuoyouchangjingdetongyongfangfa
，yincixuyaogenjuyixiatexingxuanzeheshideceshifangfa：

★ 測試頻率範圍

★ 期望測試的εr值範圍

★ 期望達到的測試精度

★ 材料的形式 (液體
、粉末、固體)

★ 被測件尺寸

★ 被測件是否可破壞

★ 被測件是否可直接接觸

★ 測試溫度等

本文主要介紹最常用的網絡參數法和諧振腔法。

01 網絡參數法

將樣品及傳感器視為一個單端口或雙端口網絡
，利用時域法、傳輸/反射法、多厚度法、多狀態法、自由空間法等測試出其表征網絡特性的參數，通常是散射參數或複反射係數，據此推出材料的複介電常數及複磁導率。

02 諧振腔法

將jiang材cai料liao樣yang品pin分fen別bie置zhi於yu一yi個ge封feng閉bi或huo開kai放fang式shi諧xie振zhen腔qiang中zhong電dian場chang最zui強qiang和he電dian磁ci場chang最zui強qiang處chu，利li用yong樣yang品pin放fang置zhi前qian後hou對dui腔qiang體ti電dian磁ci參can場chang結jie構gou的de改gai變bian，通tong過guo測ce試shi腔qiang體ti的de品pin質zhi因yin數shu及ji諧xie振zhen頻pin率lv的de變bian化hua
，從cong而er推tui算suan出chu材cai料liao的de電dian磁ci參can數shu。

這兩種不同的介電常數測量方法適用於不同的場景，具體可參考下表：

網絡參數法和諧振法比較

三、測試指標

針對網絡參數法和諧振腔法，又可細分為許多方法。比如從網絡參數法衍生出的傳輸反射法、自由空間法、終端短路法；從諧振法衍生出的微擾法、諧振腔法，準光腔法等。以下對具體的測試方法和指標進行說明。

3.1 網絡參數法>>>

3.1.1傳輸反射法

測試方法：將測試材料製作而成的待測樣品均勻填充於波導
、同軸線等標準傳輸線內
，或者將待測樣品製作成微帶線、共gong麵mian波bo導dao等deng微wei波bo傳chuan輸shu線xian，構gou成cheng一yi個ge互hu易yi雙shuang端duan口kou網wang絡luo，通tong過guo矢shi量liang網wang絡luo分fen析xi儀yi測ce量liang出chu該gai雙shuang端duan口kou網wang絡luo的de散san射she參can數shu。根gen據ju網wang絡luo參can數shu模mo型xing即ji可ke計ji算suan出chu被bei測ce樣yang品pin的de電dian磁ci參can數shu。

測試指標：

✔ 測試頻率：0.5～40GHz

✔測試範圍：

  ◆ 介電常數εr：2.0～100

  ◆ 電損耗角正切tanδ：0.1～10.0

3.1.2自由空間法

自由空間法是傳輸/反(fan)射(she)法(fa)的(de)一(yi)個(ge)特(te)例(li)。它(ta)直(zhi)接(jie)將(jiang)傳(chuan)輸(shu)路(lu)徑(jing)簡(jian)化(hua)為(wei)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)。自(zi)由(you)空(kong)間(jian)的(de)樣(yang)品(pin)安(an)裝(zhuang)方(fang)便(bian)，克(ke)服(fu)了(le)閉(bi)場(chang)域(yu)下(xia)的(de)同(tong)軸(zhou)線(xian)法(fa)及(ji)其(qi)矩(ju)形(xing)波(bo)導(dao)法(fa)中(zhong)的(de)配(pei)合(he)間(jian)隙(xi)問(wen)題(ti)。它(ta)利(li)用(yong)微(wei)波(bo)天(tian)線(xian)作(zuo)為(wei)電(dian)磁(ci)波(bo)收(shou)發(fa)裝(zhuang)置(zhi)，測(ce)試(shi)時(shi)待(dai)測(ce)材(cai)料(liao)應(ying)放(fang)在(zai)天(tian)線(xian)的(de)遠(yuan)場(chang)處(chu)，根(gen)據(ju)測(ce)試(shi)需(xu)要(yao)

，可(ke)通(tong)過(guo)模(mo)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)對(dui)波(bo)型(xing)進(jin)行(xing)轉(zhuan)換(huan)，波(bo)照(zhao)射(she)到(dao)待(dai)測(ce)樣(yang)品(pin)上(shang)會(hui)發(fa)生(sheng)反(fan)射(she)和(he)透(tou)射(she)，通(tong)過(guo)收(shou)發(fa)天(tian)線(xian)分(fen)別(bie)接(jie)收(shou)這(zhe)些(xie)反(fan)射(she)和(he)透(tou)射(she)信(xin)號(hao)
，然(ran)後(hou)根(gen)據(ju)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)法(fa)的(de)物(wu)理(li)模(mo)型(xing)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)待(dai)測(ce)材(cai)料(liao)的(de)複(fu)電(dian)磁(ci)參(can)數(shu)。

測試指標：

✔ 測試頻率：2～18GHz

✔測試範圍：

  ◆ 介電常數εr：2.0～100

  ◆ 電損耗角正切tanδ：>0.1

3.1.3終端短路法

該gai測ce試shi方fang法fa將jiang待dai測ce樣yang品pin放fang在zai終zhong端duan短duan路lu的de微wei波bo傳chuan輸shu係xi統tong中zhong
，作zuo為wei傳chuan輸shu係xi統tong的de一yi部bu分fen通tong過guo測ce量liang填tian充chong材cai料liao後hou波bo量liang的de偏pian移yi和he駐zhu波bo計ji算suan出chu材cai料liao的de複fu介jie電dian常chang數shu。

測試指標：

✔ 測試頻率：0.5～40GHz

✔測試範圍：

  ◆ 介電常數εr：2.0～15

  ◆ 電損耗角正切tanδ：0.001～2.0

3.1.4網絡參數法總結

3.2 諧振法>>>

3.2.1傳輸線諧振器法

測試方法：將jiang待dai測ce樣yang品pin製zhi作zuo成cheng微wei波bo傳chuan輸shu線xian諧xie振zhen器qi，如ru帶dai狀zhuang線xian，微wei帶dai線xian
，共gong麵mian波bo導dao等deng
，然ran後hou測ce量liang該gai傳chuan輸shu線xian諧xie振zhen器qi的de諧xie振zhen頻pin率lv和he品pin質zhi因yin數shu，就jiu能neng夠gou根gen據ju傳chuan輸shu線xian理li論lun得de到dao材cai料liao的de複fu介jie電dian常chang數shu。

測試指標：

✔ 測試頻率：1.0～10.0GHz

✔測試範圍：

  ◆ 介電常數εr：1.5～20

  ◆ 電損耗角正切tanδ：5×10-4～ 1×10-2

3.2.2諧振腔法

測試方法：將jiang介jie質zhi放fang在zai各ge種zhong微wei波bo諧xie振zhen腔qiang內nei，得de到dao加jia載zai樣yang品pin前qian後hou腔qiang體ti的de諧xie振zhen頻pin率lv和he品pin質zhi因yin數shu，由you嚴yan格ge的de電dian磁ci場chang理li論lun分fen析xi求qiu解jie出chu待dai測ce樣yang品pin的de複fu介jie電dian常chang數shu，該gai方fang法fa的de測ce試shi精jing度du很hen高gao。

測試指標：

✔ 測試頻率：8.5 ～ 18GHz
，18 ～ 40GHz

✔測試範圍：

  ◆ 介電常數εr：1.25～12

  ◆ 電損耗角正切tanδ：1×10-2～ 5×10-5

3.2.3準光腔法

測試方法：由you不bu同tong曲qu率lv半ban徑jing的de凹ao球qiu麵mian鏡jing構gou成cheng

，屬shu於yu開kai式shi諧xie振zhen腔qiang
，是shi光guang學xue諧xie振zhen結jie構gou在zai微wei波bo，毫hao米mi波bo頻pin段duan的de延yan伸shen
，諧xie振zhen頻pin率lv較jiao高gao，主zhu要yao用yong於yu毫hao米mi波bo頻pin段duan的de介jie質zhi參can數shu測ce試shi。

測試指標：

✔ 測試頻率：18～100GHz

✔測試範圍：

  ◆ 介電常數εr：1.0～10

  ◆ 電損耗角正切tanδ：1×10-4～ 5×10-3

3.2.4諧振法總結

四、典型配置

從(cong)網(wang)絡(luo)參(can)數(shu)法(fa)和(he)諧(xie)振(zhen)法(fa)的(de)測(ce)試(shi)框(kuang)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，無(wu)論(lun)哪(na)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)，其(qi)核(he)心(xin)都(dou)是(shi)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)。選(xuan)擇(ze)不(bu)同(tong)的(de)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)，會(hui)有(you)不(bu)同(tong)的(de)夾(jia)具(ju)配(pei)置(zhi)和(he)軟(ruan)件(jian)配(pei)置(zhi)。下(xia)麵(mian)基(ji)於(yu)傳(chuan)輸(shu)線(xian)諧(xie)振(zhen)器(qi)法(fa)給(gei)出(chu)典(dian)型(xing)配(pei)置(zhi)表(biao):

五

、附錄—網絡分析儀

使用成都玖錦基於自主知識產權的高端矢量網絡分析儀VNA1000A，結合相應的測試夾具和測試軟件，就能夠為客戶提供完整的介電常數測量解決方案。使用傳輸反射法測量介電常數：

VNA1000A是一款高性能的矢量網絡分析儀，具有優良的測試動態範圍、分析帶寬、相位噪聲、幅度精度和測試速度；該設備提供單端口
、響應隔離、增強型響應、全雙端口等多種校準方式，內設對數幅度、線性幅度、駐波

、相位
、群時延、Smith圓圖
、極坐標等多種顯示格式，外配USB
、LAN、GPIB、VGA等多種標準接口
，具有傳統矢量網絡分析儀的全部測量功能，能精確測量微波網絡的幅頻特性、相頻特性和群時延特性。

1)  四個內部相位相參信號源，八個真正並行測量的接收機：

VNA1000A矢量網絡分析儀組合了四個內置的相位相參信號源及八個真正並行測量的接收機，可以提供高達50GHz的完美四端口解決方案。一次連接可完成幾乎所有的線性測試和非線性測試，為進行廣泛的測量提供了強大的硬件支撐。

2)   高動態範圍：120dB（典型值）,跡線噪聲優於0.001dB,測量精度高：

VNA1000A矢量網絡分析儀采用混頻接收的設計理念，有效的擴展了整機的測試動態範圍，以滿足您對大動態範圍的測試需求；優異的跡線噪聲指標極大地提高了整機的測試精度，可滿足用戶精確測量的需要，特別有助於小插損器件的精確測量。

3)  校準類型靈活可選，兼容多種校準件：

VNA1000A矢量網絡分析儀可使用機械校準件進行直通響應校準、直通響應與隔離校準
、單端口校準
、增強型響應校準、全雙端口TOSM校準、TRL校準等多種校準類型，可根據實際測試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準件，方便不同接口類型器件的測試。

4)  支持多窗口、多通道測量，快速執行複雜測試方案：

VNA1000A矢量網絡分析儀具有多通道和多窗口顯示功能
，最多支持64個通道，最多可同時顯示32個測量窗口，每個窗口最多可同時顯示20條測試軌跡

，具有對數幅度、線性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式，使觀測結果更加直觀，用戶使用方便。

5)  外設接口豐富，靈活實用：

VNA1000A矢量網絡分析儀采用兼容PC的嵌入式計算機模塊和Windows操作係統組成的軟硬件平台，實現了測試儀器和個人計算機的完美結合。用戶可以利用豐富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）來完成數據通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點觸控顯示屏
，人性化用戶界麵簡潔直觀
，便於操作
，可提高測試效率。

來源： 高速射頻百花潭

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