波导法测量介电常数--PPT
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‘thru.s2p’ ❖ 在转换头波导口接上短路板：记录此时的s参数，记
录为‘short.s2p’ ❖ 将校准用波导接在两转换器之间：记录此时的s参数，
记录为‘line.s2p’ ❖ 将需要测量的对象接在转换器之间：记录此时的s参
数 ❖ 导入校准程序，得到测量A波导两个端面的s参数 13
A
14
样品端面S参数到介电常数的计算
通过它将介质极化的宏观现象和介质的微观 结构联系起来。
A
3
物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一 个标量，实数
物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是 一个复数
' j"
介电常数的虚部反映波传播的损耗，实部反映波 传播时状态的改变，如相位，相速，波阻抗等的 改变。
A
4
介电常数测量方法
c 1 lln (T d ) 1 lln (T ) j( 2 n)(n 0 ,1 ,2 )r |c
c2(20 )2
(0)2 c
c 表示样品段传播常数。
多值问题：由于n可能取多个不同的值， c 值存在多 个值，因而得到的介电常数可能存在多值。
A
18
厚度谐振和多值问题的解决
❖ 结合两个推导公式分别计算介电常数一（有厚度谐 振但是无多值问题），介电常数二（有多值问题但 是无厚度谐振）。将介电常数二与介电常数一进行 比较，选取介电常数二中与介电常数一值范围相近 值为正确值。所得到的结果既避免了多值问题又避 免了厚度谐振问题
Coaxial Converter
A
9
The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system
A
10
同轴线校准 同轴波导校准
A
11
一.矢量网络分析仪同轴线校准
❖ 打开矢量网络分析仪，设置好扫描频率（2－ 4G），点数（801），扫描时间（6ms）
z%c
zc z0
1 c 1c
r |zc(0c)2z% 1c2[1(0c)2]
Zc，Z0分别表示样品和空气的特征阻抗；
波长，只与波导尺寸和传输波型相
c
表示波导的截止
关
c 2/(k c)m n 2 /(m /a )2 (n /b )2
；
0 表示空气中的工作波长， 0 c / f ；c为光速常数；
❖ 介质的介电常数定义为电通量D与外加电场强度E的 比值，是一个用来衡量介质中的电荷在外加电磁场 作用下发生极化后的分布情况的一个常量
A
2
介电常数是一个由本身性质和外界环境共同 决定的反映介质电特性的物理量。
宏观上反映介质对电磁波辐射，散射，反射， 吸收，传输等特性，微观上反映物质内部化 学和物理结构。
❖ 传输线法－如波导法，同轴线，带状线
将被测介质作为传输线的一部分，测量负 载（被测介质）在传输线（传输系统）上的 行驻波分布，测量其驻波系数，波节点位置 （相位），以此计算负载的反射系数，阻抗， 网络参量等，进而实现其介电常数的反演
A
5
❖ 谐振腔法－将被测介质放入谐振腔中， 引起谐振频率和品质因数变化，其测得 的变化值与介质的介电常数有定量关系
❖ 为了将测量的二端口网络散射参数校准到同 轴线的端口，要先使用矢量网络分析仪的标 准件（开路器，短路器，匹配负载，直通） 和自带的校准程序进行校准
A
12
二.同轴波导校准
为了将同轴线两端口的散射参数校准到测量波导的两 个端面，需要进行非标准件和自己编写的校准程序进 行同轴波导校准 ❖ 将两转换头波导口对接：记录此时的s参数，记录为
❖ 自由空间波法－光学方法。通过测量介 质的折射率，得到其与介电常数的定量 关系。
A
6
波导传输/反射法
❖ NRW传输/反射法：将待测样品作为二端口网络，测 量两个端口的s参数，即s11，s21,s22，s12，然后 根据测得的s参数算出介质的介电常数
❖ 该可以方法测量介质复介电常数，适应于同轴和波 导系统，采用同轴线时传输波为TEM波，而波导系 统中传输的是TE10波。
s11s22 1 c (1 c 2 T T d d 2 2)s21s12T 1 d (1 c 2 T d c 2 2)
T d 表示待测样品的传输系数 c 表示待测样品的反射系数
s11、s22、s21、s12表示待测样品的s参数
A
15
推导一 ：介电常数一
s 1 2 1 2 s s 1 2 2 1 1 1 1 2 c c 2 K s 1 2 1 2 s s 1 2 2 1 1 1 c K K 2 1
❖ 该方法的优点是简单且具有较的高精度，然而，该 方法存在厚度谐振，多值，以及不易测量极薄材料 等问题 。
A
7
A
8
Wave-guide method dielectric constant measuring system
Coຫໍສະໝຸດ Baiduxial
Vector Network Analyzers
Waveguide
波导传输/反射法 测量
介质介电常数
A
1
介电常数
❖ 自然界中大多数物质在微波波段都呈现为有损耗的 绝缘体，称之为电介质，简称介质。介质在电场的 作用下都会发生极化现象，即介质在外加电场的作 用下其内部的正负电荷向着相反方向发生微小位移， 从而产生许多电偶极矩。介质极化后在介质内部产 生一个极化电场，这个电场的方向与外加电磁场的 方向相反，大小与介质的极化程度、物质成分和物 理状态，外界温度频率等有关。
A
16
❖ 厚度谐振问题：对于某些频点，即样品长度正好
是半个波导波长的整数倍。 S11-> 0，K值具有极 大不确定性， r 产生尖峰，即厚度谐振，为不确 定值，需要去除。
A
17
推导二：介电常数二
s 2 2 1 2 s s 2 1 2 1 1 1 1 2 T T d d 2 M s 2 2 1 2 s s 2 1 2 1 1 1 T d M M 2 1 T e j
A
19
介电常数
相对介电常数计算2 4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
2.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
频 率 （ GHz）
干土的介电A常数
4 20
误差分析及校正
❖ 定位误差 信号传输方向上存在空气段
A
21
❖
定位误差的校准
波导口处的s参数为
[S ]'
s s
' 1
录为‘short.s2p’ ❖ 将校准用波导接在两转换器之间：记录此时的s参数，
记录为‘line.s2p’ ❖ 将需要测量的对象接在转换器之间：记录此时的s参
数 ❖ 导入校准程序，得到测量A波导两个端面的s参数 13
A
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样品端面S参数到介电常数的计算
通过它将介质极化的宏观现象和介质的微观 结构联系起来。
A
3
物质在静电场中（无电磁波时）的介电常数是一 个标量，实数
物质在交变电场中（有电磁波时）的介电常数是 一个复数
' j"
介电常数的虚部反映波传播的损耗，实部反映波 传播时状态的改变，如相位，相速，波阻抗等的 改变。
A
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介电常数测量方法
c 1 lln (T d ) 1 lln (T ) j( 2 n)(n 0 ,1 ,2 )r |c
c2(20 )2
(0)2 c
c 表示样品段传播常数。
多值问题：由于n可能取多个不同的值， c 值存在多 个值，因而得到的介电常数可能存在多值。
A
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厚度谐振和多值问题的解决
❖ 结合两个推导公式分别计算介电常数一（有厚度谐 振但是无多值问题），介电常数二（有多值问题但 是无厚度谐振）。将介电常数二与介电常数一进行 比较，选取介电常数二中与介电常数一值范围相近 值为正确值。所得到的结果既避免了多值问题又避 免了厚度谐振问题
Coaxial Converter
A
9
The Parts in the Wave-guide method dielectric constant measuring system
A
10
同轴线校准 同轴波导校准
A
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一.矢量网络分析仪同轴线校准
❖ 打开矢量网络分析仪，设置好扫描频率（2－ 4G），点数（801），扫描时间（6ms）
z%c
zc z0
1 c 1c
r |zc(0c)2z% 1c2[1(0c)2]
Zc，Z0分别表示样品和空气的特征阻抗；
波长，只与波导尺寸和传输波型相
c
表示波导的截止
关
c 2/(k c)m n 2 /(m /a )2 (n /b )2
；
0 表示空气中的工作波长， 0 c / f ；c为光速常数；
❖ 介质的介电常数定义为电通量D与外加电场强度E的 比值，是一个用来衡量介质中的电荷在外加电磁场 作用下发生极化后的分布情况的一个常量
A
2
介电常数是一个由本身性质和外界环境共同 决定的反映介质电特性的物理量。
宏观上反映介质对电磁波辐射，散射，反射， 吸收，传输等特性，微观上反映物质内部化 学和物理结构。
❖ 传输线法－如波导法，同轴线，带状线
将被测介质作为传输线的一部分，测量负 载（被测介质）在传输线（传输系统）上的 行驻波分布，测量其驻波系数，波节点位置 （相位），以此计算负载的反射系数，阻抗， 网络参量等，进而实现其介电常数的反演
A
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❖ 谐振腔法－将被测介质放入谐振腔中， 引起谐振频率和品质因数变化，其测得 的变化值与介质的介电常数有定量关系
❖ 为了将测量的二端口网络散射参数校准到同 轴线的端口，要先使用矢量网络分析仪的标 准件（开路器，短路器，匹配负载，直通） 和自带的校准程序进行校准
A
12
二.同轴波导校准
为了将同轴线两端口的散射参数校准到测量波导的两 个端面，需要进行非标准件和自己编写的校准程序进 行同轴波导校准 ❖ 将两转换头波导口对接：记录此时的s参数，记录为
❖ 自由空间波法－光学方法。通过测量介 质的折射率，得到其与介电常数的定量 关系。
A
6
波导传输/反射法
❖ NRW传输/反射法：将待测样品作为二端口网络，测 量两个端口的s参数，即s11，s21,s22，s12，然后 根据测得的s参数算出介质的介电常数
❖ 该可以方法测量介质复介电常数，适应于同轴和波 导系统，采用同轴线时传输波为TEM波，而波导系 统中传输的是TE10波。
s11s22 1 c (1 c 2 T T d d 2 2)s21s12T 1 d (1 c 2 T d c 2 2)
T d 表示待测样品的传输系数 c 表示待测样品的反射系数
s11、s22、s21、s12表示待测样品的s参数
A
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推导一 ：介电常数一
s 1 2 1 2 s s 1 2 2 1 1 1 1 2 c c 2 K s 1 2 1 2 s s 1 2 2 1 1 1 c K K 2 1
❖ 该方法的优点是简单且具有较的高精度，然而，该 方法存在厚度谐振，多值，以及不易测量极薄材料 等问题 。
A
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A
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Wave-guide method dielectric constant measuring system
Coຫໍສະໝຸດ Baiduxial
Vector Network Analyzers
Waveguide
波导传输/反射法 测量
介质介电常数
A
1
介电常数
❖ 自然界中大多数物质在微波波段都呈现为有损耗的 绝缘体，称之为电介质，简称介质。介质在电场的 作用下都会发生极化现象，即介质在外加电场的作 用下其内部的正负电荷向着相反方向发生微小位移， 从而产生许多电偶极矩。介质极化后在介质内部产 生一个极化电场，这个电场的方向与外加电磁场的 方向相反，大小与介质的极化程度、物质成分和物 理状态，外界温度频率等有关。
A
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❖ 厚度谐振问题：对于某些频点，即样品长度正好
是半个波导波长的整数倍。 S11-> 0，K值具有极 大不确定性， r 产生尖峰，即厚度谐振，为不确 定值，需要去除。
A
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推导二：介电常数二
s 2 2 1 2 s s 2 1 2 1 1 1 1 2 T T d d 2 M s 2 2 1 2 s s 2 1 2 1 1 1 T d M M 2 1 T e j
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介电常数
相对介电常数计算2 4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
2.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
频 率 （ GHz）
干土的介电A常数
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误差分析及校正
❖ 定位误差 信号传输方向上存在空气段
A
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❖
定位误差的校准
波导口处的s参数为
[S ]'
s s
' 1