1、Innovation, Teamwork, Excellence, QualityDKDFDKDF测试仪器和方法测试仪器和方法Innovation, Teamwork, Excellence, QualityDK/DfDK/Df定義及機理定義及機理測試方法測試方法測試頻率測試頻率測試原理測試原理測試儀器設備測試儀器設備測試方法步驟測試方法步驟 內容內容Innovation, Teamwork, Excellence, Quality 介电常数定义介电常数定义 介电常数 又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电
2、容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。相对介电常数愈小绝缘性愈好。 材料如果在受到外部电场作用时能够储存电能，就称为“电介质”。当给平行板电容器施加直流电压时，如果两板之间存在介电材料，那么可以储存比没有介电材料 ( 真空 ) 时更多的电荷。介电材料可以中和电极上的电荷，使电容器储存更多电荷，而通常情况下，这些电荷将流向外部电场。介电材料的电容与介电常数有关。当在平行板电容器上并联直流电压源 v 时 ( 图 1)，两板之间有介电材料的配置可以比没有介电材料 ( 真空 ) 的配置储存更多的电荷。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality 介介質
3、損耗質損耗定义定义DF: Dissipation Factor 損耗因子, 在资讯及通信业最簡單的定义就是“訊號線中已漏失（Loss）到絕緣板材中的能量与尚存在（Stored）線中能量之比值”。Df 是絕緣材料的一種固有的性質,“損耗因子”與電功損失成正比，與週期頻率（f）、電位梯度的平方（E2），及單位體積成反比，其數學關係為 :Innovation, Teamwork, Excellence, Quality介电机理介电机理 材料自身的多种介电机理或极化效应 ( 图 7)。介电材料中包含有序排列的电荷载流子，这些载流子如果受到电场作用，将会发生位移。极化导致电荷对电场进行补偿，正电荷和负电
4、荷会朝相反方向移动。 从微观角度上看，有多种介电机理会对介电特性产生影响。偶极子取向和离子传导在微波频率上会发生强烈的相互作用。例如，水分子是永久性偶极子，在交替电场的作用下会发生旋转。这些机理具有非常大的损耗 这可以解释为什么微波炉能够加热食物。原子和电子机理相对较弱，在微波范围内通常是恒定不变的。每个介电机理都具有特征的“截止频率”。随着频率的增加，较慢的机理会依次退出，只剩下较快的机理，用 表示。损耗因子 ( r) 将会在每个临界频率上达到相应的峰值。对于不同的材料，每个机理的幅度和“截止频率”都是独一无二的。水在低频范围内具有非常强的偶极子效应，但是其介电常数在 22 GHz 附近会明
5、显下降。另一方面，PTFE 没有偶极子机理，其介电常数在毫米波范围内也是非常恒定的。 Innovation, Teamwork, Excellence, Quality各种测量方法的比较各种测量方法的比较 在选择最适合的测量方法时，必须考虑到多个重要因素，例如精度、方便性，以及材料的外形和形态。下面总结了部分需要考虑的重要因素 : 频率范围 er 和 r 预期值 要求的测量精度 材料属性 ( 例如均质、各向同性 ) 材料形态 ( 例如液体、粉末、固体、薄片 ) 样品大小限制 对材料的破坏和非破坏性 接触或非接触 温度 成本Innovation, Teamwork, Excellence, Qu
6、ality测量系统测量系统 阻抗分析仪和阻抗分析仪和 LCR 表表 使用阻抗分析仪和 LCR 表 ( 例如图 12 中列出的仪器 ) 可以测量材料在低频范围内的特性。使用交流电源为材料提供激励信号，并监测材料上的实际电压。通过测量材料的尺寸及其电容和耗散因子，可以推导出材料的测试参数。夹具夹具 在使用网络分析仪、阻抗分析仪或 LCR 表测量材料的介电特性之前，需要使用测量夹具 ( 或样品夹持器 )，一方面以可预测的方式对材料施加电磁场，另一方面使材料可以连接到测量仪器。夹具的类型根据选用的测量技术以及材料的物理特性 ( 固体、液体、粉末、气体 ) 而定。软件软件 仪器得到的测量数据不一定是直接
7、可用的。在这种情况下，需要使用软件将测得的数据转换为介电常数或导磁率。另外，软件还可以对夹具和 MUT之间的相互作用进行建模，从而提取出大部分材料特性。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality测量系统测量系统 网络分析仪网络分析仪 通过测量已知物理尺寸的材料的反射和 入射 或传输性能，可以获得相应的数据，根据它们可以表征材料的介电常数和导磁率。PNA 系列、ENA 系列和 FieldFox 等矢量网络分析仪可在 9 kHz 至 1.1 THz 频率范围内进行扫描高频激励响应测量。( 图 12)。矢量网络分析仪由信号源、接收机和显示器组成 ( 图11)。
8、信号源向被测材料发送一个单一频率信号。接收机调谐到该频率并检测材料所反射和传输的信号。根据测得的响应可得出该频率上的幅度和相位数据。信号源随后步进到下一个频率，重复上述测量，得到随频率变化的反射和传输测量响应。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality谐振腔法谐振腔法 ( 窄带测量窄带测量 ) 与与宽带测量宽带测量方法方法 ( 例如例如 , 传输线法传输线法 , 平行平行板电容法等板电容法等 ) 的比较的比较 谐振法 高阻抗环境 可以测量小尺寸样品进行适当的测量 只能在一个或几个频率上进行测量 非常适合测量低损耗材料其它宽带测量法 低阻抗环境 需要较大的
9、样品才能进行适当的测量 可在“任意”频率上进行测量Innovation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法測試原理平行板法在 ASTM 标准 D15012 中又称为三端子法，其原理是通过在两个电极之间插入一个材料或液体薄片组成电容器，然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。在实际测试装置中，测量夹具均配有两个电极，用来加持介电材料。阻抗测量仪器测量电容 (C) 和耗散 (D) 的矢量分量，然后通过软件程序计算介电常数和损耗正切。该方法最适合对薄膜或液体进行精确的低频测量。采用平行板法的典型测量系统主要由阻抗分析仪或 LCR 表，以及工作频率至 1 G
10、Hz 的夹具 ( 例如 16451B 和 16453A 电介质测试夹具 ) 组成。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法測試儀器設備測試儀器名稱：DK/Df分析儀(E4991A)測試頻率：1M1.5GHZInnovation, Teamwork, Excellence, Quality平行板法平行板法測試方法步驟1.樣品：大小50*50inch，每組樣品3個，樣品厚度一般1.0mm。2.樣品預處理條件：105烘烤2h+120烘烤1h,放入防潮柜 (箱)內冷卻20min。Innovation, Teamwork, Excellence,
11、 Quality平行板法平行板法3.測試方法步驟：按如下儀器操作步驟最後算出DK/Df值來Innovation, Teamwork, Excellence, Quality谐振腔法谐振腔法測試原理谐振腔体有比较高的 Q 值，可在特定频率上发生谐振。将一片材料样品插入到腔体中，会改变腔体的谐振频率 (f) 和品质因数 (Q)。根据这些测得的参数，可以计算出材料在某一频率上的复数介电常数。典型的测量系统由网络分析仪、谐振腔体夹具以及计算软件组成。 谐振腔法也有许多不同的子方法和夹具类型 : Agilent 85071E 选件 200 谐振腔体软件支持三种子方法 : 分裂圆柱法 (Split Cyl
12、inder)、分离介质谐振器 (SplitPost Dielectric Resonator) 法和 ASTM D252010 腔体微扰 (Cavity Perturbation) 法。可使用外部计算机来控制网络分析仪，两者通过 LAN、USB 或 GP-IB 接口进行连接。对于 PNA 系列和 ENA 系列网络分析仪，软件可直接安装到分析仪中，无需使用外部计算机。安捷伦还为分裂圆柱柱法 和分离介质谐振器法 提供了高 Q 值谐振腔体夹具。图23.24.25分别为这三种谐振腔结构。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality谐振腔三种方法谐振腔三种方法Inn
13、ovation, Teamwork, Excellence, Quality測試儀器設備測試儀器名稱：网络分析仪(PNA系列）測試頻率：1 30GHZ谐振腔法谐振腔法Innovation, Teamwork, Excellence, Quality測試方法步驟1.樣品：大小130*80mm，每組樣品3個，樣品厚度一般0.85mm。2.樣品預處理條件：120烘烤1h以上，放入防潮柜(箱)內冷卻20min。谐振腔法谐振腔法3.測試方法步驟：按如下儀器操作步驟最後算出DK/Df值來(參考測試操作步驟)。Innovation, Teamwork, Excellence, Quality THE END
