2021年10月09日 | 矢量网络分析仪测量材料介电常数的方法详解

安泰测试在上一期为大家介绍了矢量网络分析仪在材料介电常数测量的应用，了解到矢量网络分析仪测量材料介电常数的优势，那么具体如何使用网络分析仪进行测量呢，安泰测试今Agitek天为大家介绍同轴探头法、传输线法、自由空间法、拱形法、谐振腔法、平行板电容法和电感测量法七种具体测试方法，感兴趣的建议收藏哦。

一、同轴探头法

通过将探头浸入液体或用其接触固体 (或粉末) 材料的平坦表面，网分仪通过测量S11再换算到介电常数。

1、对被测材料要求：液体、软质整合固体（表面平整能够与探头紧密贴合无空气间隙）、半固体，"半无限" 厚度、非磁性、各向同性和均质、无空隙

2、 覆盖频率范围（由探头决定）：200MHz-50GHz

3、测试主机：Keysight 全系列网分、E4991A/B阻抗分析仪

4、Keysight测试软件N1500A-004

5、Keysight探头套件N1501A，包含三种

a) 高温探头N1501A-101

频率200MHz至20GHz，采用玻璃金属密封结构，能够防止化学品的腐蚀或摩擦。探头能够承受–40至 +200℃ 的温度范围，可测量材料特性随频率和温度的变化。大边缘使探头能够对平面固体材料、液体和半固体材料进行测量。

b) 细长探头N1501A-102

频率500MHz至50GHz，能够轻松地装进发酵罐、化学反应室或其他小孔径的设备中。同时，细长的设计还使它能够适用于更小的样品体积。该探头最适用于测量液体和柔润的半固体。对于可浇铸材料，探头的价格足够经济，可伸入到材料中无需取回。这种探头用作消耗品，因此以三个一套的方式提供，还可以另购备件。

c) 高性能探头N1501A-104

频率500MHz至50GHz，细长设计融合了出色的坚固性和耐高温性以及宽频率范围。探头的探针端和连接器端都经过密封，因此是最坚固耐用的探头。探头能够承受–40至 +200℃的温度范围，因此可以测量材料特性随频率和温度的变化。探头经过热压处理，非常适合灭菌要求很高的食品、医药和化工行业应用。

6、同轴探头法的优点：可利用Ecal实时更新校准，方便易用、基本无需对样品加工、非破坏性、频率宽；

7、 同轴探头法缺点：不适合高εr’，低εr”材料、要求厚度＞1cm（典型值）、固体材料要求表面足够平、精度有限：εr’±5%、不能测量μr

二、传输线法

传输线法需要将材料置于一部分封闭的传输线内部。线路通常是一段矩形波导或同轴空气线。介电常数根据反射信号 (S 11) 和发射信号 (S 21) 的测量结果计算得出。

1、对被测材料的要求：固体，且尺寸可精确塑型为环状或者方块状，表面足够光滑保证样品填充满夹具不留间隙。

2、覆盖频率范围：覆盖100MHz至1.1THz，由空气线或者波导频率决定

3、测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）

4、Keysight测试软件：N1500A-001

5、Keysight夹具：空气线（如85051-60010 7mm空气线100MHz至18GHz）、波导腔（如K11644A 18GHz至26.5GHz）

6、传输线法优点：频率范围宽、夹具简单、能测试εr和μr

7、传输线法缺点：对材料可塑形要求高，不易保证尺寸加工精度、不适合测量低损耗材料，精度±2%，液体需特制夹具

三、自由空间法

该方法将材料填充在两根天线之间以进行非接触测量。

1、 对材料要求：大平面固体材料、平坦、平行表面、均匀，使用特制夹具可测量粒状和粉状材料

2、覆盖频率：100MHz至1.1T，受限于样品尺寸

3、 测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）

4、 Keysight测试软件：N1500A-001

5、 夹具：喇叭天线、天线固定及对准平台（建议在微波暗室中测试以减少外界环境影响）

6、自由空间法优点：不用接触, 非破坏性、高频、适合于高温测试、可以测量磁性物质,各向异性材料

7、自由空间法缺点：需特制校准件、精确控制样品与天线的距离、不适合低损材料

四、拱形法

NRL 拱形测试法由美国海军研究实验室首先提出，这种实用技术可用于测量材料的变角度吸收特征。典型设置是将网络分析仪连接到两个号角天线，固定在被测材料上方或下方的一个拱形电枢上。一根天线用作发射天线，另一根可以接收反射信号，以完成单端口测量。样品应是在 "远场"。

1、对材料要求：大平面固体材料、平坦、平行表面、均匀，使用特制夹具可测量粒状和粉状材料

2、覆盖频率：100MHz至1.1THz

3、测试主机：Keysight PNA系列网分、E5071C

4、Keysight测试软件：N1500A-002

5、夹具：喇叭天线、拱形、吸波材料等

6、 拱形法优点：非接触, 非破坏性、高频、适合吸波材料测试、可以测量磁性物质

7、 拱形法缺点：需特制校准件、精确控制样品与天线的距离、不适合低损材料

五、谐振腔法

谐振腔测试法使用网络分析仪来测量谐振频率和谐振腔体夹具的Q值，在测试开始时是空白设置，随后加载被测样品。当已知样品的体积和谐振腔的其他参数时，通过这些测量来计算介电常数。

1、 对材料要求：样品切条，平坦薄片，厚度约0.05mm~5mm，典型值为1mm

2、覆盖频率：1GHz至15GHz，一个谐振腔对应一个频点

3、 测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）

4、 Keysight测试软件：N1500A-003

5、 夹具：谐振腔，如Keysight 85072A、QWED谐振腔等

6、 谐振腔法优点：精度高达±1%，对样品尺寸加工要求不高，非常适合低损材料测试

7、 谐振腔法缺点：不支持宽带测试，单个谐振腔可测频率窄，分析比较复杂

六、平行板电容法

使用阻抗分析仪，将被测材料置于平行板电极之间，通过测试电容值计算出介电常数。

1、对材料要求：表面光滑且均匀薄片或者薄膜，不同夹具对厚度和直径有要求

2、覆盖频率：1MHz至1GHz

3、 测试主机：Keysight E4991B、E4990A、E4980A/AL

4、Keysight测试软件：N1500A-005

5、夹具：16451B、16453A，液体材料使用16452A

6、谐振腔法优点：适合平板材料、薄膜材料、价格经济、精度高可达±1%

7、谐振腔法缺点：测试频率低、对材料尺寸要求高，不支持测试磁导率

七、电感测量法

仅针对磁性材料测试磁导率，它可通过含有闭合环路 (例如环形磁芯)的磁芯电感器的自感推导得出。

1、对材料要求：环形磁芯结构

2、覆盖频率：1 kHz 至 1 GHz

3、测试主机：Keysight E4990A、E4980A/AL

4、Keysight测试软件：N1500A-006

5、夹具：16454A

6、谐振腔法优点：精度高可达±1%、操作简单

7、谐振腔法缺点：测试频率低、仅测试磁导率

以上就是安泰测试为大家分享的利用矢量网络分析测材料介电常数的方法，也详细介绍了这七种方法的利弊