安捷伦材料测量解决方案

tan
" ' r / r
Wireless Test World 2009
弛豫时间常数t
20o C的水
100
t ：一个稳定极化的系统 极化方向变为随机所 需要的时间
' r
10
1 t c 2f c
1
大部分能量1/t处损耗
" r
1 1 10 100
f, GHz
Debye equation : ( )
介电常数等于介质的绝对电容率与真空的电容 率之比，是个复数，但不是常数
' " r r j r 0
储藏能量
损耗能量
反映了材料损耗电场能量 的多少
' r
反映了材料储藏电场能量 的多少
" r
Wireless Test World 2009
Page 5
损耗角正切
" r " tan ' r '
计算机 (PNA系列不需要)
网络分析仪
GP-IB or LAN
8507IE 软件
谐振腔
Wireless Test World 2009
Page 38
谐振腔微扰机制
空腔
fc = 空腔谐振频率 Fs = 加入材料后的谐振频率 加入样品后 Qs Qc
Qc = 空腔品质因数
Qs = 加入材料的品质因数 Vs = 空腔体积
Page 33
非接触测试方法适合于高低温测试
自用空间法+变温箱
Wireless Test World 2009
Page 34
110GHz自由空间法测试
Wireless Test World 2009
Page 35
粉末材料的自由空间法夹具
材料置于两天线间的托盘中
Wireless Test World 2009
Wireless Test World 2009
Page 16
平行极板电容测试方法
LCR表或阻抗分析仪
' r
C A 0 t
tan D
A
t
介电测试夹具 16453A
Wireless Test World 2009
Page 17
阻抗分析仪及测量夹具
Wireless Test World 2009
对原料进行检测
Wireless Test World 2009
介电常数
介电常数描述了材料与外加电场间的相互作用
D E

* 0 r
r
绝对电容率
相对电容率或者介电常数
1 0 x109 36
F /m
自由空间中的电容率
Wireless Test World 2009
介电特性的定义
r
绝对磁导率
相对磁导率
Wireless Test World 2009
介电特性 (at 3 GHz)
低损耗
TiO 2
100 50 20
损耗
水
盐水 牛排
' r
10 5 2 1 .00001 空气
氧化铝 酒精
PCB 石英 聚脂薄膜 聚四氟乙烯 .0001 .001 .01 冰 木材 10% 0% .1 1 20%
自由空间法
谐振腔法
Wireless Test World 2009
Page 44
不同测量方法的比较
损耗
高
同轴探头
传输线法
中
平行板 电容
自由空间法
低
谐振腔体 频率
50 MHz 低频 5 GHz 射频 20 GHz 40 GHz
微波
60 GHz 毫米波
325+ GHz
Wireless Test World 2009
网络分析仪
(或者E4991A阻抗分析仪)
GP-IB or LAN
85070E 同轴探头 85070E 软件
(包含探头套件)
Wireless Test World 2009
Page 22
同轴探头
材料要求: “半无限” 厚度 非磁性和匀质性的 同质的 无气隙和气泡 反射 (S 11 )
s Biblioteka Baidu 1 jt
Wireless Test World 2009
Page 9
电场作用下的极化方向
弛豫时间 常数t
随机的极化方向
E
Wireless Test World 2009
Page 10
材料的介电特性还与以下特性有关
含水量 微生物含量 密度 细菌含量 肿瘤识别
物质间的相互化学作用
Wireless Test World 2009
Page 42
内
材料测试基础 材料测试方法
• • • • 平行电极法 同轴传输线法 传输线法和自由空间法 谐振腔法
容
总结
Wireless Test World 2009
Page 43
各种测量方法总结
平行电极法 同轴探头法 传输线法
低频 适合于扁平片状材料 宽频带范围 适合于液体和半固体材料 宽频带范围 适合于可机械加工的固体 宽频带，毫米波 非接触测量方法 单频点 适合于低损耗，小体积样品
安捷伦材料测量
与解决方案
吴辉 安捷伦科技应用工程师
Page 1
内
材料测试基础 材料测试方法
• • • • 平行电极法 同轴传输线法 传输线法和自由空间法 谐振腔法
容
总结
Wireless Test World 2009
Page 2
为何需要进行材料测试？
研发新型材料
控制制造流程 缩短设计周期 提高性能 减少废品
三种同轴探头
纤细探头
•0.500 – 50GHz •低成本 •可用于狭窄空间和小尺寸样品 •仅适合于液体和软的固体材料
Wireless Test World 2009
Page 25
三种同轴探头
高性能探头
兼具高温和高频性能
•0.500 – 50GHz •温度范围 -40 – 200 ºC •两端封闭，适合于压力容器 •食用等级不锈钢
对大多数材料无破坏性
Wireless Test World 2009
Page 27
传输线测试系统
计算机
(PNA系列不需要)
网络分析仪
GPIB or LAN
8507IE 软件 样品夹具
Wireless Test World 2009
Page 28
传输线
材料要求: l 样品适合于夹具的尺寸 与夹具间无间隙 光滑, 表面平坦, 长方体 厚度> 20/360 l
Page 40
Agilent 85072A谐振腔+85071E软件
Wireless Test World 2009
Page 41
谐振腔法总结
频率范围: 单频点，取决于谐振腔 使用仪表: 网络分析仪
精度: r’ 1%; tan 10-5
最适合于低损耗材料 最适合于片状和小体积样品 无需校准网络分析仪 单一频率 样品体积需精确已知 体积较大和高损耗样品可能 使谐振频率超出谐振腔范围
材料需精密加工 (通常是破坏性的) 低频时需要大尺寸样品 高频时需要小尺寸样品 难以测试液体，气体和粉末
最适合于硬的固体材料 多种同轴传输线和波导可选 可测试磁性材料
Wireless Test World 2009
Page 31
自由空间测试法
计算机 (PNA系列不需要)
网络分析仪
GP-IB or LAN
传输 (S21 )
反射 (S ) 11
Wireless Test World 2009
Page 29
传输线夹具
同轴传输线
波导
Wireless Test World 2009
Page 30
同轴线测试方法总结
频率范围: 宽带或者分频段1-75GHz 使用仪表: 网络分析仪
精度: r’ 2%; tan 10-2
Page 19
网络分析仪用于材料测量
•同轴探头法 •传输线法 •自由空间法
•谐振腔法
Wireless Test World 2009
Page 20
网络分析仪测试方法
入射信号
传输信号
发射信号
光
MUT 微波信号
Wireless Test World 2009
Page 21
同轴探头测试系统
计算机
(PNA系列不需要)
fs
fc
f
Vc = 样品体积
1 r r
Vc ( f c f s ) 2.303 2Vs f s
Vc 4Vs
1 1 Q 0.003 Q c s
Wireless Test World 2009
Page 39
谐振腔夹具
Wireless Test World 2009
Page 18
平行电极测试方法总结
频率范围: 40 Hz – 1 GHz 测试仪表: Impedance Analyzer 典型精度: r’ 1%; tan 5% 0.005 从电极间的电容及尺寸计算 r 方法简单，可在阻抗分析 仪中自动完成 适用于薄片,PCB和薄膜材料
频率较低
Wireless Test World 2009
Page 36
自由空间法总结
频率范围: 分频段5-325GHz 使用仪表: 网络分析仪
精度: r’ 2%; tan 10-2
非接触式测量方法 最适合片状材料 样品厚度已知且均匀 低频时需要大尺寸样品
可测试磁性材料
Wireless Test World 2009
Page 37
谐振腔法测量系统
Wireless Test World 2009
Page 23
三种同轴探头
高温探头
•0.200 – 20GHz (和阻抗分析仪联用时下限频率0.01GHz) •温度范围 -40 – 200 ºC •可用于腐蚀性液体 •法兰设计适合平面固体材料
Wireless Test World 2009
Page 24
Wireless Test World 2009
Page 26
同轴探头测试方法总结
频率范围: 10MHz – 50GHz 使用仪表: 网络分析仪或阻抗分析仪
精度: r’ 5%; tan 0.05
便于使用 适合于液体和半固体材料 不适合于r’, >100的材料
材料必须为非磁性, 均质,同 向的 固体必须是平面的

'' r
r

' r
1 每个周期损耗的能量 tan D Q 每个周期储藏的能量
D
损耗因子
Q 品质因子
Wireless Test World 2009
Page 6
磁导率
' " r jr 0
储藏
损耗
0 4x107
H /m
自由空间中的磁导率

* 0r
物质结构 浓度 水果成熟程度 大多数的物理属性
Wireless Test World 2009
Page 11
三种酒的介电常数测量结果
Wireless Test World 2009
Page 12
牛奶不同时间的介电常数测量结果
Wireless Test World 2009
Page 13
内
材料测试基础 材料测试方法
• • • • 平行电极法 同轴传输线法 传输线法和自由空间法 谐振腔法
容
总结
Wireless Test World 2009
Page 14
材料测试方法
平行 电极 传输线 /自由空间
同轴 探针 谐振腔
Wireless Test World 2009
哪种方法最好

频率范围 r的预期值 测量精度 材料特性(均质的,各向同性的) 材料状态 (液体,粉末,固体,薄片) 样品尺寸限制 破坏性还是非破坏性 接触法还是非接触法 温度
8507IE 软件 天线及样品
Wireless Test World 2009
Page 32
自由空间测试法
l
反射 1 (S 1 )
传输 2 (S ) 1
样品要求: 双面平行 样品与天线距离足够远 样品足够大，无绕射波 厚度> 20/360 l
Wireless Test World 2009