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射频和微波材料测量:技术和应用

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所有这些问题的共同点是需要定量表征射频和微波频率下的材料特性。

作者:Enrico Brinciotti,博士,Anritsu - EMEA地区业务开发工程师

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来自不同应用的类似问题已经产生了对精确测量材料的介电和磁性的持续需求。

在这种情况下,矢量网络分析仪(VNA)代表了一种工具,可以对被测材料(MUT)进行快速,准确,通常是非破坏性的,有时甚至是非接触式的测量。 多年来,已经开发了几种方法来表征材料的介电性质。

这些技术包括开放式同轴探针方法,自由空间技术,谐振器和传输线方法。

每种技术都有自己的适用范围,取决于几个因素,如感兴趣的频率,所需的测量精度,各向同性和均匀性,形式(即粉末,液体,固体),尺寸,非破坏性或非接触性要求测试和温度范围。 本文概述了不同的基于VNA的技术,以及一些新应用的实际示例。

材料的介电性能

材料可以分为绝缘体(即电介质),导体和半导体。 当介电材料暴露于外部电场时,它将被极化。 材料储存和消散的电磁能量通过其介电和磁性,即电容率和磁导率来测量。 两者都是复杂的数量。

介电常数的实部通常称为介电常数。 材料可分为分散和非分散,取决于它们的介电常数是否随频率而变化。 对于分散材料,有必要量化它们的频率特性。 因此,通常测量介电常数作为频率的函数。 复杂的相对介电常数, εr,被定义为

其中, σ=ωε'' 是导电率(S / m), J =√-1 是想象单位,和 ω=2πf 是角频率(rad / s)。 复介电常数 介电常数εr 由实部和虚部组成。

真实的部分 ε” 测量存储在材料中的能量的量,即虚部 ε '',也称为损耗因子,测量材料的能量损失量。 虚部与复介电常数的实部之比定义为损耗角正切(耗散因数或损耗因子)

它测量被测材料(MUT)固有的电磁能耗散。

基于VNA的材料测量技术

存在几种基于VNA的方法,其允许测量材料的电特性,即电容率ε 和磁导率 µ,从几kHz到太赫兹。 从复杂的S参数测量,实部和虚部εµ 可以同时获得。

可以确定四种方法:开放式同轴探针方法,传输线方法,自由空间技术和谐振器。 MUT的介电特性取决于频率,各向异性,均匀性,温度和其他参数。 因此,在所有频率和温度下都没有精确测量所有材料的介电特性的最佳技术。

选择的最佳方法取决于:频率,温度,损耗范围,MUT形式(粉末,固体,液体等),尺寸(薄膜,大面板等),非破坏性测试需求,以及可能性是否与MUT联系。 以下是探讨射频和微波频率下材料特性的四种最常用方法的概述。

开放式同轴探头

开放式同轴探头用于在0.5 GHz至110 GHz的宽频率范围内测量高频下的有损耗材料。 通过压在MUT上的金属探针从1端口反射测量中提取介电特性。

校准步骤用于参考探头孔径平面处的测量反射信号。 扁平固体和液体非常适合这种技术的样品。 对于介电常数低的材料,该方法引入了一些不确定性和偏转。

射频和微波材料测量

图1。 开放式同轴探针法。 (a)在探针/ MUT界面处具有E场线的探针示意图。 (b)使用Anritsu 3743A mm-Wave模块和同轴电缆以及1.85 mm(70 GHz)和1 mm(125 GHz)连接器的变焦,在mm-Wave频率下应用该方法。

传输线方法

在传输线方法中,MUT放置在传输线(即波导或同轴)内。 从透射和反射S参数测量中提取介电常数和磁导率。

该方法适用于固体和流体,并且比开放式同轴探针技术具有更高的准确度和灵敏度。 介电常数和磁导率的误差率<5%,并且在足够高的损耗水平下,损耗角正切<10%。 损耗角正切的分辨率为±0.01; 因此,具有tanδ<0.01的材料不是特征性的。

射频和微波材料测量

图2。 用于材料测量的传输线设置。 该设置由具有7838 kHz至70 GHz(110 mm同轴输出)全扫描功能的Anritsu VectorStar ME1E VNA和覆盖宽带范围的一组波导组件组成。 在底部,显示了WR-19波导传输线的变焦,MUT位于中心连接处。

自由空间设置

在自由空间设置中,在两个天线之间计算S参数,样本放置在视线内。 通过分析从自由空间传播到样品中的EM波的反射和透射部分,可以提取MUT的介电特性。 发射喇叭通过介质透镜辐射准直高斯光束,从而限制来自MUT边缘的衍射贡献。

常见的误差源是探针/样品未对准以及衍射效应。 需要精确的透镜制造和对准来限制波前像差和多次反射。 因此,自由空间设置,特别是对于宽带应用,是非常昂贵的。 净精度和损耗分辨率与传输线方法报告的相似。

射频和微波材料测量

用于E-Band材料测量的自由空间设置

图3。 来自Fraunhofer FHR,RWTH Aachen IHF和Anritsu项目的E-Band材料测量的自由空间设置。 该设置由Anritsu Shockline MS46522B-082 VNA组成,带有小型系留源/接收器模块和底座。 远程模块具有原生WR-12波导接口,并与喇叭天线和定制设计的镜头系统耦合。 显示了TRM校准的三个步骤,以及MUT的实际测量。 以下视频演示了以下内容:

谐振器

谐振方法能够在单个频率或一组离散频率下提取介电特性。 这允许达到更高的准确度 - 例如介电常数和损耗角正切的4数字 - 以及相对于先前描述的方法的灵敏度。

MUT放置在具有已知谐振频率和品质因数的谐振腔内。 由此测量由MUT引入的后一量的变化,并确定介电常数和磁导率。 介电常数的误差<1%,损耗角正切的误差为0.3%。 高损耗材料的这种高精度失败,因为谐振峰随着损耗的增加而变宽。

射频和微波材料测量

图4。 腔体谐振器设置用于材料测量。 (a)样品架阶段的草图,显示介电支架和谐振器,样品平面(红色)和耦合环。 (b)和(c)表示实际的谐振腔。

比较不同的方法

每种方法都有自己的适用范围,最佳选择取决于:感兴趣的频率范围,所需的测量精度,各向同性和均匀性,形式(即粉末,液体,固体),尺寸,非破坏性要求或非接触式测试和温度范围。 下表总结了每种技术的优点,适用范围和局限性。

射频和微波材料测量

结论

已经讨论了使用VNA作为灵活且通用的工具来精确和定量地表征从几kHz到太赫兹范围的材料特性,例如电容率和磁导率。 已经提出了不同的方法来从2端口或1端口S参数测量中提取MUT的介电常数和磁导率。

可以使用VNA表征的MUT类型包括从生物物质和液体到固体和粉末,突出了VNA作为表征高频材料特性的工具的广泛适用性。

流程工业线人

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