Keysight材料介電常數測試方法

2023/3/5

Keysight材料介電常數測試方法
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:

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

材料介電常數

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
材料系數

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。
材料探頭

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。

材料測試傳輸

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)。
Keysight 治具

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。

Keysight 治具

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"。

NRL拱形法

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

Keysight E5071C

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。

Keysight 阻抗分析儀

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。

Keysight 16454A

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
介電常數測試


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