是德科技材料介电常数和导磁率常用测试方案
是德科技可以提供用于材料介电特性/磁导率测量的全套解决方案，包括介电常数测试仪表、夹具及测量分析软件。介电常数测试主要方法有传输线法、自由空间法、谐振腔法、同轴探针、弓形反射法和平行板法等。
材料测试方法总结对比
一、同轴探针法
对于以上提到的这类特殊材料，是德科技的同轴探针法是专门针对表面光滑的块状固体材料、液体材料、粉末及生物组织等半固体材料的介电特性参数测试而设计。
同轴探针法
同轴探针法利用开路式的同轴探头，将其浸入到液体、生物组织或者接触光滑固体平面，将高频信号通过探头入射到被测材料，此时探头接收到的由被测材料反射的信号（反射特性S11）将会因为材料的介电常数而发生变化，如下图1所示。利用这种对应关系，通过网络分析仪测得S11就可以计算出被测材料的介电常数与损耗角正切等参数。
同轴探针法的基本原理
?同轴探头是传输线截断后的一部分。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，对材料进行测量。
?探头上的场将“边缘”送入材料中，随着它们与被测材料的接触而缓慢发生变化。
?反射信号(S11)可以通过测量得到，它与εr有关。
图1 同轴探头法的基本原理
同轴探针法主要有三种，如下图2所示，分别是高温探头（能够在–40°C至+200°C的范围内测试材料的介电特性）、高性能探头（频率范围高达50GHz）和纤细探头（可用于方便插入材料内部的情况使用）。其中高温探头如果配合阻抗分析仪E4991B，低频可以拓展到10MHz。
同轴探针法的主要特性如下：
频率范围：200MHz~50GHz（搭配网络分析仪），10MHz-3GHz（搭配阻抗仪）；
测试参数：介电常数；
参考精度： ’:±5%，tanδ：±0.05 ；
样品要求：表面平整的固体，液体或者粉末材料。
图2 同轴探头种类
同轴探针法的种类包括高温探头，高性能探头和细长探头。
对表面平整的固体、液体以及半固体材料的介电特性测试，我们推荐使用同轴探头法：
同轴探头法具有很宽的频率测试范围；
易于使用，只需压在固体材料表面或浸没在液体中即可；
对被测材料无破坏。
当然，该方法对被测材料厚度有一定的要求，不合适介电损耗tanδ太小的材料，且不能测试磁性材料。
二、平行板法（三端子法）测试介电特性
当使用阻抗测量仪器测量介电常数时，通常采用平行板法。
平行板电容法将被测材料置于平行板电极之间，形成一个电容器，通过测试电容值计算出介电常数。应用该方法的典型测量系统由LCR表或阻抗分析仪构成。该方法最适合对薄膜或液体进行精确的低频测量。
图4 显示了平行板法的概图。 平行板法在ASTM D150 标准中又称为三端子法，其原理是通过在两个电极之间插 入一个材料或液体薄片组成一个电容器， (注: 在本文以下部分中，被测材料无论是 固体还是液体均用 MUT 表示。) 然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。在 实际测试装置中，两个电极配备在夹持介电材料的测试夹具上。阻抗测量仪器将测量电容 (C) 和耗散 (D) 的矢量分量，然后由软件程序计算出介电常数和损耗角正切。
图 5 显示了实际测量中的电场流动。当简单地测量两个电极之间的介电材料时， 在电极边缘会产生杂散电容或边缘电容， 从而使得测得的介电材料电容值比实际值 大。边缘电容会导致电流流经介电材料和边缘电容器，从而产生测量误差。 使用保护电极，可以消除边缘电容所导致的测量误差。保护电极会吸收边缘的电�。栽诘缂洳獾玫牡缛葜皇怯闪骶榈绮牧系牡缌餍纬桑庋憧梢曰竦米既返牟饬拷峁�。当结合使用主电极和保护电极时，主电极称为被保护电极 (guarded electrode)。
图3 E4991B 阻抗分析仪
图4 平行板法测试介电特性
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、E4991A、E4980A/AL;
4、Keysight测试软件：N1500A-005;
5、夹具：16451B、16453A，液体材料使用16452A;
6、优点：适合平板材料、薄膜材料、价格经济、精度高可达±1%;
7、缺点：测试频率低、对材料尺寸要求高，不支持测试磁导率;
图5 保护电极的效应
图5 16453A介电材料测试夹具对待测物尺寸要求
三、谐振腔法测试介电特性
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。
谐振腔法原理
谐振腔体有比较高的Q值，可在特定频率上发生谐振。将一片材料样品插入到腔体中，会改变腔体的谐振频率(f)和品质因数(Q)。根据这些测得的参数，可以计算出材料在某一频率上的复数介电常数。典型的测量系统由网络分析仪、谐振腔体夹具以及计算软件组成。
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、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、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;
分离介质谐振腔法方案
四、电感测量法测试磁导率
该方法仅针对磁性材料测试磁导率，是通过测量材料(环形磁芯)的电感来推导出磁导率。
测量非常简单， 无需在磁芯周围缠绕线圈
提供两种夹具装配件， 以适应不同的MUT尺寸
电感测量法夹具装配件
具体操作: 在MUT上缠绕若干条导线，并测量导线两端的电感。Keysight 16454A 磁性材料测试夹具可为单匝电感器提供理想结构，在插入环形磁芯时不会出现磁漏。
适用的测量仪器: E4991B 阻抗分析仪
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、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;
16454A导磁率测试夹具对待测物尺寸要求
磁性材料测试夹具
五. 传输线法原理
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。
介电常数和磁导率根据反射信号(S11)和发射信号(S21)的测量结果计算得出。
传输线法的特点
宽带―最低频率受到实际样品长度的限制
有限的低损耗分辨率(取决于样品长度)
可测量磁性材料
使用波导夹具时测量各向异性材料
六. 自由空间法
自由空间法使用天线将微波能量聚焦在或穿透过材料厚板或薄板。 这种方法不需要接触材料，适用于在高温和恶劣环境中对材料进行测试。下图显示了两种典型的自由空间测量装置: S参数配置(上方)和NRL弧形框(下方)。
自由空间法的特点
非接触, 对材料无破坏
高频― 低端受到实际样品尺寸的限制
适合在高温条件下使用
对于各向异性材料, 天线偏振可能发生变化
可测量磁性材料
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