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Keysight材料介電常數測試方法
2023/3/5
原文出處: 是德科技KEYISGHT
各行各業都需要對它們所用的材料有非常清晰的了解，以便縮短設計、進廠檢驗、流程檢測和質量保證等階段所花費的時間。每種材料都具有一些獨特的電氣特徵，與介電特性有關。通過對介電特性進行精確測量，科技人員和工程師能夠獲得寶貴的信息，從而在具體應用中恰當地運用這些材料，創造更可靠的設計或監測生產流程，改進質量控制。
常見介電常數測試材料舉例：
材料測試主要包括介電材料和磁性材料的測試，常用的參數包括介電常數如|εr|,εr』,εr」,tanδ，磁導率如|μr|,μr』,μr」等。是德科技可以提供多種儀器、夾具和軟體，用於測量材料的介電特性。是德科技測量儀器能夠覆蓋最高1.1THz的頻率範圍，配合各種夾具支持同軸探頭法、平行板法、同軸/波導傳輸線法、自由空間法和諧振腔法等，以下將主要介紹如何根據被測材料的情況選擇合適的測試方法。
Ａ、同軸探頭法
通過將探頭浸入液體或用其接觸固體 (或粉末) 材料的平坦表面，網分儀通過測量S11再換算到介電常數。
1、 對被測材料要求：液體、軟質整合固體（表面平整能夠與探頭緊密貼合無空氣間隙）、半固體，"半無限" 厚度、非磁性、各向同性和均質、無空隙
2、覆蓋頻率範圍（由探頭決定）：200MHz-50GHz
3、測試主機：Keysight 全系列網路分析儀、E4991B阻抗分析儀 【查看產品資訊】
4、Keysight測試軟體N1500A-004
5、Keysight探頭套件N1501A，包含三種：
a) 高溫探頭N1501A-101
頻率200MHz至20GHz，採用玻璃金屬密封結構，能夠防止化學品的腐蝕或摩擦。探頭能夠承受–40至 +200℃ 的溫度範圍，可測量材料特性隨頻率和溫度的變化。大邊緣使探頭能夠對平面固體材料、液體和半固體材料進行測量。
b) 細長探頭N1501A-102
頻率500MHz至50GHz，能夠輕鬆地裝進發酵罐、化學反應室或其他小孔徑的設備中。同時，細長的設計還使它能夠適用於更小的樣品體積。該探頭最適用於測量液體和柔潤的半固體。對於可澆鑄材料，探頭的價格足夠經濟，可伸入到材料中無需取回。這種探頭用作消耗品，因此以三個一套的方式提供，還可以另購備件。
c) 高性能探頭N1501A-104
頻率500MHz至50GHz，細長設計融合了出色的堅固性和耐高溫性以及寬頻率範圍。探頭的探針端和連接器端都經過密封，因此是最堅固耐用的探頭。探頭能夠承受–40至 +200℃的溫度範圍，因此可以測量材料特性隨頻率和溫度的變化。探頭經過熱壓處理，非常適合滅菌要求很高的食品、醫藥和化工行業應用。
6、同軸探頭法的優點：可利用Ecal實時更新校準，方便易用、基本無需對樣品加工、非破壞性、頻率寬。
7、 同軸探頭法缺點：不適合高εr』，低εr」材料、要求厚度＞1cm（典型值）、固體材料要求表面足夠平、精度有限：εr』±5%、不能測量μr。
Ｂ、傳輸線法
傳輸線法需要將材料置於一部分封閉的傳輸線內部。線路通常是一段矩形波導或同軸空氣線。介電常數根據反射信號 (S 11) 和發射信號 (S 21) 的測量結果計算得出。
1、對被測材料的要求：固體，且尺寸可精確塑型為環狀或者方塊狀，表面足夠光滑保證樣品填充滿夾具不留間隙。
2、覆蓋頻率範圍：覆蓋100MHz至1.1THz，由空氣線或者波導頻率決定。
3、測試主機：Keysight 全系列網路分析儀（除N9912A）。
4、Keysight測試軟體：N1500A-001。
5、Keysight夾具：空氣線（如85051-60010 7mm空氣線100MHz至18GHz）、波導腔（如K11644A 18GHz至26.5GHz）。
6、傳輸線法優點：頻率範圍寬、夾具簡單、能測試εr和μr。
7、傳輸線法缺點：對材料可塑形要求高，不易保證尺寸加工精度、不適合測量低損耗材料，精度±2%，液體需特製夾具。
Ｃ、自由空間法
該方法將材料填充在兩根天線之間以進行非接觸測量。
1、 對材料要求：大平面固體材料、平坦、平行表面、均勻，使用特製夾具可測量粒狀和粉狀材料。
2、覆蓋頻率：100MHz至1.1T，受限於樣品尺寸。
3、 測試主機：Keysight 全系列網路分析儀 【查看產品資訊】（除N9912A）。
4、 Keysight測試軟體：N1500A-001。
5、 夾具：喇叭天線、天線固定及對準平台（建議在微波暗室中測試以減少外界環境影響）。
6、自由空間法優點：不用接觸, 非破壞性、高頻、適合於高溫測試、可以測量磁性物質,各向異性材料。
7、自由空間法缺點：需特製校準件、精確控制樣品與天線的距離、不適合低損材料。
Ｄ、拱形法
NRL 拱形測試法由美國海軍研究實驗室首先提出，這種實用技術可用於測量材料的變角度吸收特徵。典型設置是將網絡分析儀連接到兩個號角天線，固定在被測材料上方或下方的一個拱形電樞上。一根天線用作發射天線，另一根可以接收反射信號，以完成單埠測量。樣品應是在 "遠場"。
1、對材料要求：大平面固體材料、平坦、平行表面、均勻，使用特製夾具可測量粒狀和粉狀材料。
2、覆蓋頻率：100MHz至1.1THz。
3、測試主機：Keysight PNA系列網路分析儀、E5071C 【查看產品資訊】。
4、Keysight測試軟體：N1500A-002。
5、夾具：喇叭天線、拱形、吸波材料等。
6、 拱形法優點：非接觸, 非破壞性、高頻、適合吸波材料測試、可以測量磁性物質。
7、 拱形法缺點：需特製校準件、精確控制樣品與天線的距離、不適合低損材料。
Ｅ、諧振腔法
諧振腔測試法使用網絡分析儀來測量諧振頻率和諧振腔體夾具的Q值，在測試開始時是空白設置，隨後加載被測樣品。當已知樣品的體積和諧振腔的其他參數時，通過這些測量來計算介電常數。
1、 對材料要求：樣品切條，平坦薄片，厚度約0.05mm~5mm，典型值為1mm。
2、覆蓋頻率：1GHz至15GHz，一個諧振腔對應一個頻點。
3、 測試主機：Keysight 全系列網路分析儀（除N9912A）。
4、 Keysight測試軟體：N1500A-003。
5、 夾具：諧振腔，如Keysight 85072A、QWED諧振腔等。
6、 諧振腔法優點：精度高達±1%，對樣品尺寸加工要求不高，非常適合低損材料測試。
7、 諧振腔法缺點：不支持寬帶測試，單個諧振腔可測頻率窄，分析比較複雜。
Ｆ、平行板電容法
使用阻抗分析儀，將被測材料置於平行板電極之間，通過測試電容值計算出介電常數。
1、對材料要求：表面光滑且均勻薄片或者薄膜，不同夾具對厚度和直徑有要求。
2、覆蓋頻率：1MHz至1GHz。
3、 測試主機：Keysight E4991B 【查看產品資訊】、E4990A 【查看產品資訊】、E4980A/AL 【查看產品資訊】。
4、Keysight測試軟體：N1500A-005。
5、夾具：16451B、16453A，液體材料使用16452A。
6、諧振腔法優點：適合平板材料、薄膜材料、價格經濟、精度高可達±1%。
7、諧振腔法缺點：測試頻率低、對材料尺寸要求高，不支持測試磁導率。
Ｇ、電感測量法
僅針對磁性材料測試磁導率，它可通過含有閉合環路 (例如環形磁芯)的磁芯電感器的自感推導得出。
1、對材料要求：環形磁芯結構。
2、覆蓋頻率：1 kHz 至 1 GHz。
3、測試主機：Keysight E4990A、E4980A/AL。
4、Keysight測試軟體：N1500A-006。
5、夾具：16454A。
6、諧振腔法優點：精度高可達±1%、操作簡單。
7、諧振腔法缺點：測試頻率低、僅測試磁導率。
材料測試方法總結
在選擇最適合的測量方法時，必須考慮到多個重要因素，例如精度、方便性，以及材料的外形和形態。下面總結了部分需要考慮的重要因素:
1、頻率範圍
2、εr 和 μr 預期值
3、要求的測量精度
4、材料屬性 (例如均質、各向同性)
5、材料形態 (例如液體、粉末、固體、薄片)
6、樣品大小限制
7、對材料的破壞和非破壞性
8、接觸或非接觸
9、溫度
10、成本
各行各業都需要對它們所用的材料有非常清晰的了解，以便縮短設計、進廠檢驗、流程檢測和質量保證等階段所花費的時間。每種材料都具有一些獨特的電氣特徵，與介電特性有關。通過對介電特性進行精確測量，科技人員和工程師能夠獲得寶貴的信息，從而在具體應用中恰當地運用這些材料，創造更可靠的設計或監測生產流程，改進質量控制。
常見介電常數測試材料舉例：
| 行業 | 應用 / 被測材料 |
| 電子 | 電容、基片、PCB、PCB 天線、鐵氧體、磁記錄頭、SAR體模材料、傳感器 |
| 航空航天 / 國防 | 隱身技術、RAM (雷達波吸收材料)、雷達天線罩 |
| 工業材料 | 陶瓷和複合材料: IC 封裝、航空航天與汽車零部件、水泥、塗料和生物植入 |
| 聚合物和塑料: 纖維、基片、薄膜、絕緣材料 | |
| 水凝膠: 一次性尿片、軟性隱形眼鏡 | |
| 液晶: 顯示器 | |
| 橡膠、半導體和超導體 | |
| 其他包含此類材料的產品: 輪胎、塗料、粘合劑等 | |
| 食品和農業 | 食品保鮮 (變質) 研究、微波食品開發、包裝、含水率測量 |
| 林業和礦業 | 木材/紙製品含水率測量、含油量分析 |
| 製藥和醫療 | 藥物研究和生產、生物植入體、人體組織定征、生物量、化學濃縮、發酵 |
材料測試主要包括介電材料和磁性材料的測試，常用的參數包括介電常數如|εr|,εr』,εr」,tanδ，磁導率如|μr|,μr』,μr」等。是德科技可以提供多種儀器、夾具和軟體，用於測量材料的介電特性。是德科技測量儀器能夠覆蓋最高1.1THz的頻率範圍，配合各種夾具支持同軸探頭法、平行板法、同軸/波導傳輸線法、自由空間法和諧振腔法等，以下將主要介紹如何根據被測材料的情況選擇合適的測試方法。
Ａ、同軸探頭法
通過將探頭浸入液體或用其接觸固體 (或粉末) 材料的平坦表面，網分儀通過測量S11再換算到介電常數。
1、 對被測材料要求：液體、軟質整合固體（表面平整能夠與探頭緊密貼合無空氣間隙）、半固體，"半無限" 厚度、非磁性、各向同性和均質、無空隙
2、覆蓋頻率範圍（由探頭決定）：200MHz-50GHz
3、測試主機：Keysight 全系列網路分析儀、E4991B阻抗分析儀 【查看產品資訊】
4、Keysight測試軟體N1500A-004
5、Keysight探頭套件N1501A，包含三種：
a) 高溫探頭N1501A-101
頻率200MHz至20GHz，採用玻璃金屬密封結構，能夠防止化學品的腐蝕或摩擦。探頭能夠承受–40至 +200℃ 的溫度範圍，可測量材料特性隨頻率和溫度的變化。大邊緣使探頭能夠對平面固體材料、液體和半固體材料進行測量。
b) 細長探頭N1501A-102
頻率500MHz至50GHz，能夠輕鬆地裝進發酵罐、化學反應室或其他小孔徑的設備中。同時，細長的設計還使它能夠適用於更小的樣品體積。該探頭最適用於測量液體和柔潤的半固體。對於可澆鑄材料，探頭的價格足夠經濟，可伸入到材料中無需取回。這種探頭用作消耗品，因此以三個一套的方式提供，還可以另購備件。
c) 高性能探頭N1501A-104
頻率500MHz至50GHz，細長設計融合了出色的堅固性和耐高溫性以及寬頻率範圍。探頭的探針端和連接器端都經過密封，因此是最堅固耐用的探頭。探頭能夠承受–40至 +200℃的溫度範圍，因此可以測量材料特性隨頻率和溫度的變化。探頭經過熱壓處理，非常適合滅菌要求很高的食品、醫藥和化工行業應用。
6、同軸探頭法的優點：可利用Ecal實時更新校準，方便易用、基本無需對樣品加工、非破壞性、頻率寬。
7、 同軸探頭法缺點：不適合高εr』，低εr」材料、要求厚度＞1cm（典型值）、固體材料要求表面足夠平、精度有限：εr』±5%、不能測量μr。
Ｂ、傳輸線法
傳輸線法需要將材料置於一部分封閉的傳輸線內部。線路通常是一段矩形波導或同軸空氣線。介電常數根據反射信號 (S 11) 和發射信號 (S 21) 的測量結果計算得出。
1、對被測材料的要求：固體，且尺寸可精確塑型為環狀或者方塊狀，表面足夠光滑保證樣品填充滿夾具不留間隙。
2、覆蓋頻率範圍：覆蓋100MHz至1.1THz，由空氣線或者波導頻率決定。
3、測試主機：Keysight 全系列網路分析儀（除N9912A）。
4、Keysight測試軟體：N1500A-001。
5、Keysight夾具：空氣線（如85051-60010 7mm空氣線100MHz至18GHz）、波導腔（如K11644A 18GHz至26.5GHz）。
6、傳輸線法優點：頻率範圍寬、夾具簡單、能測試εr和μr。
7、傳輸線法缺點：對材料可塑形要求高，不易保證尺寸加工精度、不適合測量低損耗材料，精度±2%，液體需特製夾具。
Ｃ、自由空間法
該方法將材料填充在兩根天線之間以進行非接觸測量。
1、 對材料要求：大平面固體材料、平坦、平行表面、均勻，使用特製夾具可測量粒狀和粉狀材料。
2、覆蓋頻率：100MHz至1.1T，受限於樣品尺寸。
3、 測試主機：Keysight 全系列網路分析儀 【查看產品資訊】（除N9912A）。
4、 Keysight測試軟體：N1500A-001。
5、 夾具：喇叭天線、天線固定及對準平台（建議在微波暗室中測試以減少外界環境影響）。
6、自由空間法優點：不用接觸, 非破壞性、高頻、適合於高溫測試、可以測量磁性物質,各向異性材料。
7、自由空間法缺點：需特製校準件、精確控制樣品與天線的距離、不適合低損材料。
Ｄ、拱形法
NRL 拱形測試法由美國海軍研究實驗室首先提出，這種實用技術可用於測量材料的變角度吸收特徵。典型設置是將網絡分析儀連接到兩個號角天線，固定在被測材料上方或下方的一個拱形電樞上。一根天線用作發射天線，另一根可以接收反射信號，以完成單埠測量。樣品應是在 "遠場"。
1、對材料要求：大平面固體材料、平坦、平行表面、均勻，使用特製夾具可測量粒狀和粉狀材料。
2、覆蓋頻率：100MHz至1.1THz。
3、測試主機：Keysight PNA系列網路分析儀、E5071C 【查看產品資訊】。
4、Keysight測試軟體：N1500A-002。
5、夾具：喇叭天線、拱形、吸波材料等。
6、 拱形法優點：非接觸, 非破壞性、高頻、適合吸波材料測試、可以測量磁性物質。
7、 拱形法缺點：需特製校準件、精確控制樣品與天線的距離、不適合低損材料。
Ｅ、諧振腔法
諧振腔測試法使用網絡分析儀來測量諧振頻率和諧振腔體夾具的Q值，在測試開始時是空白設置，隨後加載被測樣品。當已知樣品的體積和諧振腔的其他參數時，通過這些測量來計算介電常數。
1、 對材料要求：樣品切條，平坦薄片，厚度約0.05mm~5mm，典型值為1mm。
2、覆蓋頻率：1GHz至15GHz，一個諧振腔對應一個頻點。
3、 測試主機：Keysight 全系列網路分析儀（除N9912A）。
4、 Keysight測試軟體：N1500A-003。
5、 夾具：諧振腔，如Keysight 85072A、QWED諧振腔等。
6、 諧振腔法優點：精度高達±1%，對樣品尺寸加工要求不高，非常適合低損材料測試。
7、 諧振腔法缺點：不支持寬帶測試，單個諧振腔可測頻率窄，分析比較複雜。
Ｆ、平行板電容法
使用阻抗分析儀，將被測材料置於平行板電極之間，通過測試電容值計算出介電常數。
1、對材料要求：表面光滑且均勻薄片或者薄膜，不同夾具對厚度和直徑有要求。
2、覆蓋頻率：1MHz至1GHz。
3、 測試主機：Keysight E4991B 【查看產品資訊】、E4990A 【查看產品資訊】、E4980A/AL 【查看產品資訊】。
4、Keysight測試軟體：N1500A-005。
5、夾具：16451B、16453A，液體材料使用16452A。
6、諧振腔法優點：適合平板材料、薄膜材料、價格經濟、精度高可達±1%。
7、諧振腔法缺點：測試頻率低、對材料尺寸要求高，不支持測試磁導率。
Ｇ、電感測量法
僅針對磁性材料測試磁導率，它可通過含有閉合環路 (例如環形磁芯)的磁芯電感器的自感推導得出。
1、對材料要求：環形磁芯結構。
2、覆蓋頻率：1 kHz 至 1 GHz。
3、測試主機：Keysight E4990A、E4980A/AL。
4、Keysight測試軟體：N1500A-006。
5、夾具：16454A。
6、諧振腔法優點：精度高可達±1%、操作簡單。
7、諧振腔法缺點：測試頻率低、僅測試磁導率。
材料測試方法總結
在選擇最適合的測量方法時，必須考慮到多個重要因素，例如精度、方便性，以及材料的外形和形態。下面總結了部分需要考慮的重要因素:
1、頻率範圍
2、εr 和 μr 預期值
3、要求的測量精度
4、材料屬性 (例如均質、各向同性)
5、材料形態 (例如液體、粉末、固體、薄片)
6、樣品大小限制
7、對材料的破壞和非破壞性
8、接觸或非接觸
9、溫度
10、成本
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