Keysight 材料介电常数测试方法

转自成都安诚迅飞

各行各业都需要对它们所用的材料有非常清晰的了解，以便缩短设计、进厂检验、流程检测和质量保证等阶段所花费的时间。每种材料都具有一些独特的电气特征，与介电特性有关。通过对介电特性进行精确测量，科技人员和工程师能够获得宝贵的信息，从而在具体应用中恰当地运用这些材料，创造更可靠的设计或监测生产流程，改进质量控制。

常见介电常数测试材料举例：

行业	应用/被测材料
电子	电容、基片、PCB、PCB 天线、铁氧体、磁记录头、SAR体模材料、传感器
航空航天/国防	隐身技术、RAM (雷达波吸收材料)、雷达天线罩
工业材料	陶瓷和复合材料: IC 封装、航空航天与汽车零部件、水泥、涂料和生物植入
	聚合物和塑料: 纤维、基片、薄膜、绝缘材料
	水凝胶: 一次性尿片、软性隐形眼镜
	液晶: 显示器
	橡胶、半导体和超导体
	其他包含此类材料的产品: 轮胎、涂料、粘合剂等
食品和农业	食品保鲜 (变质) 研究、微波食品开发、包装、含水率测量
林业和矿业	木材/纸制品含水率测量、含油量分析
制药和医疗	药物研究和生产、生物植入体、人体组织定征、生物量、化学浓缩、发酵

材料测试主要包括介电材料和磁性材料的测试，常用的参数包括介电常数如|εr|,εr’,εr”,tanδ，磁导率如|μr|,μr’,μr”等。滤波器微信公众号了解到是德科技可以提供多种仪器、夹具和软件，用于测量材料的介电特性。是德科技测量仪器能够覆盖最高1.1THz的频率范围，配合各种夹具支持同轴探头法、平行板法、同轴/波导传输线法、自由空间法和谐振腔法等，以下将主要介绍如何根据被测材料的情况选择合适的测试方法。

同轴探头法

通过将探头浸入液体或用其接触固体 (或粉末) 材料的平坦表面，网分仪通过测量S11再换算到介电常数。

1、对被测材料要求：液体、软质整合固体（表面平整能够与探头紧密贴合无空气间隙）、半固体，"半无限" 厚度、非磁性、各向同性和均质、无空隙

2、覆盖频率范围（由探头决定）：200MHz-50GHz

3、测试主机：Keysight 全系列网分、E4991A/B阻抗分析仪

4、Keysight测试软件N1500A-004

5、Keysight探头套件N1501A，包含三种

a) 高温探头N1501A-101

频率200MHz至20GHz，采用玻璃金属密封结构，能够防止化学品的腐蚀或摩擦。探头能够承受–40至 +200℃ 的温度范围，可测量材料特性随频率和温度的变化。大边缘使探头能够对平面固体材料、液体和半固体材料进行测量。

b) 细长探头N1501A-102

频率500MHz至50GHz，能够轻松地装进发酵罐、化学反应室或其他小孔径的设备中。同时，细长的设计还使它能够适用于更小的样品体积。该探头最适用于测量液体和柔润的半固体。对于可浇铸材料，探头的价格足够经济，可伸入到材料中无需取回。这种探头用作消耗品，因此以三个一套的方式提供，还可以另购备件。

c) 高性能探头N1501A-104

频率500MHz至50GHz，细长设计融合了出色的坚固性和耐高温性以及宽频率范围。探头的探针端和连接器端都经过密封，因此是最坚固耐用的探头。探头能够承受–40至 +200℃的温度范围，因此可以测量材料特性随频率和温度的变化。探头经过热压处理，非常适合灭菌要求很高的食品、医药和化工行业应用。

6、同轴探头法的优点：可利用Ecal实时更新校准，方便易用、基本无需对样品加工、非破坏性、频率宽；

7、同轴探头法缺点：不适合高εr’，低εr”材料、要求厚度＞1cm（典型值）、固体材料要求表面足够平、精度有限：εr’±5%、不能测量μr

传输线法

传输线法需要将材料置于一部分封闭的传输线内部。线路通常是一段矩形波导或同轴空气线。介电常数根据反射信号 (S 11) 和发射信号 (S 21) 的测量结果计算得出。

1、对被测材料的要求：固体，且尺寸可精确塑型为环状或者方块状，表面足够光滑保证样品填充满夹具不留间隙。

2、覆盖频率范围：覆盖100MHz至1.1THz，由空气线或者波导频率决定

3、测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）

4、Keysight测试软件：N1500A-001

5、Keysight夹具：空气线（如85051-60010 7mm空气线100MHz至18GHz）、波导腔（如K11644A 18GHz至26.5GHz）

6、传输线法优点：频率范围宽、夹具简单、能测试εr和μr

7、传输线法缺点：对材料可塑形要求高，不易保证尺寸加工精度、不适合测量低损耗材料，精度±2%，液体需特制夹具

自由空间法

该方法将材料填充在两根天线之间以进行非接触测量。

1、对材料要求：大平面固体材料、平坦、平行表面、均匀，使用特制夹具可测量粒状和粉状材料

2、覆盖频率：100MHz至1.1T，受限于样品尺寸

3、测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）

4、 Keysight测试软件：N1500A-001

5、夹具：喇叭天线、天线固定及对准平台（建议在微波暗室中测试以减少外界环境影响）

6、自由空间法优点：不用接触, 非破坏性、高频、适合于高温测试、可以测量磁性物质,各向异性材料

7、自由空间法缺点：需特制校准件、精确控制样品与天线的距离、不适合低损材料

拱形法

NRL 拱形测试法由美国海军研究实验室首先提出，这种实用技术可用于测量材料的变角度吸收特征。典型设置是将网络分析仪连接到两个号角天线，固定在被测材料上方或下方的一个拱形电枢上。一根天线用作发射天线，另一根可以接收反射信号，以完成单端口测量。样品应是在 "远场"。

1、对材料要求：大平面固体材料、平坦、平行表面、均匀，使用特制夹具可测量粒状和粉状材料

2、覆盖频率：100MHz至1.1THz

3、测试主机：Keysight PNA系列网分、E5071C

4、Keysight测试软件：N1500A-002

5、夹具：喇叭天线、拱形、吸波材料等

6、拱形法优点：非接触, 非破坏性、高频、适合吸波材料测试、可以测量磁性物质

7、拱形法缺点：需特制校准件、精确控制样品与天线的距离、不适合低损材料

谐振腔法

谐振腔测试法使用网络分析仪来测量谐振频率和谐振腔体夹具的Q值，在测试开始时是空白设置，随后加载被测样品。当已知样品的体积和谐振腔的其他参数时，通过这些测量来计算介电常数。

1、对材料要求：样品切条，平坦薄片，厚度约0.05mm~5mm，典型值为1mm

2、覆盖频率：1GHz至15GHz，一个谐振腔对应一个频点

3、测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）

4、 Keysight测试软件：N1500A-003

5、夹具：谐振腔，如Keysight 85072A、QWED谐振腔等

6、谐振腔法优点：精度高达±1%，对样品尺寸加工要求不高，非常适合低损材料测试

7、谐振腔法缺点：不支持宽带测试，单个谐振腔可测频率窄，分析比较复杂

平行板电容法

使用阻抗分析仪，将被测材料置于平行板电极之间，通过测试电容值计算出介电常数。

1、对材料要求：表面光滑且均匀薄片或者薄膜，不同夹具对厚度和直径有要求

2、覆盖频率：1MHz至1GHz

3、测试主机：Keysight E4991B、E4990A、E4980A/AL

4、Keysight测试软件：N1500A-005

5、夹具：16451B、16453A，液体材料使用16452A

6、谐振腔法优点：适合平板材料、薄膜材料、价格经济、精度高可达±1%

7、谐振腔法缺点：测试频率低、对材料尺寸要求高，不支持测试磁导率

电感测量法

仅针对磁性材料测试磁导率，它可通过含有闭合环路 (例如环形磁芯)的磁芯电感器的自感推导得出。

1、对材料要求：环形磁芯结构

2、覆盖频率：1 kHz 至 1 GHz

3、测试主机：Keysight E4990A、E4980A/AL

4、Keysight测试软件：N1500A-006

5、夹具：16454A

6、谐振腔法优点：精度高可达±1%、操作简单

7、谐振腔法缺点：测试频率低、仅测试磁导率

材料测试方法总结

在选择最适合的测量方法时，必须考虑到多个重要因素，例如精度、方便性，以及材料的外形和形态。下面总结了部分需要考虑的重要因素:

1、频率范围

2、εr 和 μr 预期值

3、要求的测量精度

4、材料属性 (例如均质、各向同性)

5、材料形态 (例如液体、粉末、固体、薄片)

6、样品大小限制

7、对材料的破坏和非破坏性

8、接触或非接触

9、温度

10、成本

近期技术精选：（点击阅读）

文末推荐

阅读原文

Keysight 材料介电常数测试方法

发送到看一看