GB/T 5597-1999 固体电介质微波复介电常数的测试方法-检测标准-检测项目-北检院

标准中涉及的相关检测项目

标准《GB/T 5597-1999 固体电介质微波复介电常数的测试方法》中指出了测试固体电介质微波复介电常数的相关检测项目、检测方法及涉及产品。以下是一些主要的内容：

检测项目：

介电常数测量：测定固体电介质材料的相对介电常数。
损耗角正切（损耗因子）测量：评价材料在微波频段的损耗特性。

检测方法：

谐振腔法：利用腔体谐振特性测量电介质的介电常数和损耗角。
频率域技术：通过分析频率响应曲线来获得介电参数。
时间域方法：应用于需要高精度和宽频段测量的情况。

涉及产品：

微波通信设备中的电介质材料。
雷达系统中使用的介质元件。
微波和毫米波集成电路中使用的基板材料。
天线系统中的电介质材料。

以上检测项目和方法均用于确保材料在特定微波频段的性能，以适应现代通信和电子工业的需求。

GB/T 5597-1999 固体电介质微波复介电常数的测试方法的基本信息

标准名：固体电介质微波复介电常数的测试方法

标准号：GB/T 5597-1999

标准类别：国家标准(GB)

发布日期：1999-05-19

实施日期：1999-01-02

标准状态：现行

GB/T 5597-1999 固体电介质微波复介电常数的测试方法的简介

本标准规定了均匀的、各向同性的固体电介质材料微波复介电常数的测试方法。本标准适用于频率范围为2GHz~18GHz内复介电常数的测定。GB/T5597-1999固体电介质微波复介电常数的测试方法GB/T5597-1999

GB/T 5597-1999 固体电介质微波复介电常数的测试方法的部分内容

1范围

中华人民共和国国家标准

固体电介质微波复介电常数的

测试方法

Test method for complex permittivity of soliddielectric materials at microwave frequenciesGB/T5597-1999

代替GB/T5597--1985

本标准规定了均匀的、各向同性的固体电介质材料微波复介电常数的测试方法。本标准适用于频率范围为2GHz～18GHz内复介电常数的测定。推荐测试频率为9.5GHz。其测定范围：相对介电常数实部为2～20，介质电损耗角正切tano.为1×10-4～5×10-3。2定义

复数介电常数e为：

=·E,=('-je\)

式中：e—复数相对介电常数；

一真空介电常数，其值为8.854×10-12F/m。（1）

本标准所述及的复数介电常数实际上均指相对介电常数，并以相对介电常数的实部=和介电损耗角正切tand,=e\/e表征之。

3测试原理

在一确定频率下圆柱型TE%模式高品质因数测试腔的谐振长度为l。，固有品质因数为Q，如图1(a）所示。当此测试腔中放人厚度为d的盘状试样后，如图1(b）所示，将发生两方面的变化：（1）由于介质试样的介电常数ε大于1，因此填充有试样介质的那段波导的相位常数将增大，在原频率上产生谐振的腔体长度将缩短为1.；（2）由于介质试样将引入附加的介质损耗，导致测试腔的固有品质因数下降为Qos。

根据测试腔在放入介质试样前后，其谐振长度变化量S(S=l。一1.)和品质因数的改变量，可以分别推算出介质材料的介电常数=及介质电损耗角正切tano。国家质量技术监督局1999-05-19批准1999-12-01实施

GB/T5597-1999

因此复介电常数的测试可归结为对高品质因数测试腔在放入介质试样前后的谐振腔长度和固有品质因数的测试。

测试环境条件

20℃～30℃

5仪器和设备

5.1测试系统

相对湿度

45%~75%

采用“反应型”系统，如图2所示。信号源

数字式

电压表

大气压力

86kPa~106kPa

精密刻度

衰减器

检波器

隔离器

测试腔

此系统的特点是用精密刻度衰减器来调节测试电平，让晶体检波器作等电平指示。进行高频替代法”测量介质测试腔在测品质因数时的衰减量。晶体检波器作等电平指示可以完全避免晶体检波器非线性而引人的误差。

5.2信号源

a）输出功率大于10dB；

b）幅值稳定度优于0.01dB/10min；c）频率稳定度优于1×10-8/10min；d）频率微调分辨率优于1×10-7f。。建议采用频综信号源。

5.3精密刻度衰减器

使用范围：0~10dB，精确度：0.02dB/10dB。建议用回旋式衰减器。

5.4介质测试腔

单模TE1.工作，空腔无载品质因数Q≥40000，调谐活塞位置读测精度0.01mm。测试腔简图见附录A（提示的附录）。

5.5数字式电压表

电压分辨率1μV，4%位读数。

5.6晶体检波器

非调配式宽频带晶体检波器。

5.7隔离器

隔离比优于20dB，正、反向驻波比系数小于1.20。2

6试样尺寸及要求

6.1样品直径D，

式中：R-测试腔半径，mm,

GB/T5597—1999

D,=(2R-)±0.1mm

8一一与测试腔尺寸有关的量，在推荐测试频率的试腔中，建议定为1.5mm。6.2样品厚度d

·（2）

选择试样厚度d的原则是取其电长度在85°左右，以提高测试灵敏度并降低测试误差，在待测材料的介电常数e大致已知的情况下，可按下式计算样品厚度。d=0.236

式中：f。测试频率，亦即测试腔的谐振频率，GHz；R——测试腔半径,mm；

d样品厚度，mm。

样品厚度的选择见附录B(提示的附录）。6.3样品要求

盘状样品两主平面的不平行度不大于0.01mm，两主平面的不平直度不大于0.01mm。·（3）

样品表面应无不正常的斑点和划痕，内部无不正常的杂质和气孔；在测试前需严格清洁和干燥处理。

7测试程序

7.1空测试腔的测量

7.1.1开机预热15min，使系统正常工作。7.1.2置信号源输出连续波频率在测试频率f。上，调节精密刻度衰减器在9.0dB～9.8dB范围内，调节信号源的输出电平，使晶体检波器输出在数字式电压表上读得10mV左右的指示数ao，记录此时精密刻度衰减器的衰减量A1。

7.1.3调节介质测试腔，由数字式电压表指示跌到最低点来确定测试腔已调到谐振点，谐振点频率为f。，记录介质测试腔的活塞位置刻度l。和谐振频率。，此时数字式电压表上的读数为ar。7.1.4调节精密刻度衰减器（减少衰减量），使数字式电压表上的读数自ar上升恢复到ao，记录此时精密刻度衰减器的衰减量A2，则介质测试腔在谐振点引人的衰减为A=A,一A2，以分贝计。Ahe=10lg(1+10%)—3. 01

·（4）

7.1.5按（4)式计算谐振曲线“半功率点”衰减量Ahe，置精密刻度衰减器于A。十A2。此时数字式电压表上的读数为a'.,a,

7.1.6微调信号源的频率，在谐振频率f。两边，分别调到数字式电压表读数恢复为ao，记录这两个频率f及f2。计算△f。=f2-f1。

7.2置入试样后测试腔的测量

7.2.1使用与7.1完全相同的步骤可测得在原确定频率f。下的活塞位置刻度1.、谐振点衰减量A半功率点衰减量As及“半功率点”频差△f.。7.2.2为提高测试精度，将介质盘状试样反一面再置人测试腔，重复步骤7.1，以试样正反两次放置所得数据的平均值作为最后结果。7.2.3测试原始记录表格见附录C(提示的附录）。3

8结果计算

GB/T5597—1999

介电常数的实部e、介质电损耗角正切tano.按式（5)和式（9)计算。 =() (32) + P)

式中：入。——自由空间波长，mm；R——测试腔半径，mm；

β。-一以介电常数实部为e'的介质所填充的圆波导中TE%波的传输相位常数。其中，入、β.又分别由式(6)、式(7)决定tanβ.dtanβ(d+S)

式中：c

自由空间光速，2.997×10\mm/s；f。测试腔谐振频率,Hz；

d——介质试样的厚度，mm；

S-—装试样前后两次测试腔谐振时活塞位置的差距，S=l。-l.,mm；β。真空（以空气填充)的圆波导TE°波的传输相位常数。β。由下式确定：

B -[1 -()

tano. =[1 +()(-)

P=[sinp(d+S)

L = 2Cl。- (d + S) + sin2β.(d + S)β。

L,= 2d -

式中：l。

一未装试样时测试腔谐振长度，它与腔体尺寸的关系：l。

-TE%测试腔谐振模式号数；

一装有试样时测试腔的无载品质因数；Qo

（5）

（6）

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）

（13）

Q\os——装有无耗试样（假想的时测试腔的无载品质因数。它是由未装试样的空测试腔的无载品质因数Q。转化而来两者的关系为：Qo/Q'q

9为一个转化因子，它与尺寸的关系为：q

式中：k。

(PL.+L)+2R(Pβ+)

+2R。

圆波导中H%波的截止波数，它与尺寸的关系为：3.832

（14）

（15）

（16）

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Q。和Q。分别由它们的有载品质因数QL。和QL.计算得来，关系为：Q=Qu·10%

Q- Qu·10%

式中：QLe—未装试样的空测试腔的有载品质因数；QL装有介质试样后，测试腔的有载品质因数；（17）

（18）

Ae“反应型”电路中，未装试样的空测试腔谐振时，谐振点功率跌落所对应的衰减量，dB；一“反应型”电路中，装有介质试样的测试腔谐振时，谐振点功率跌落所对应的衰减量，dB。Aos

腔体的有载品质因数QL由“半功率”点的频宽△f和谐振频率。决定，分别有：QLe=f。/Af。

测试误差

Atano.=3%tand.+3.0×10-5

测试误差综合详见附录B(提示的附录）。：（19）

（20）

（21）

....（22)

建议腔体直径2R=51.4mm；

腔体空腔长度L=96mm；

工作模式：TE%14。

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附录A

（提示的附录）

介质测试腔结构简图

腔体可用螺旋腔构成，亦可用金属腔构成。腔体结构简图见图A1。

1—耦合波导；2—螺旋波导；3—调谐活塞；4—介质试样5—吸波圆环；6—调谐测试头图A1介质测试腔结构简图

B1计算过程说明

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附录B

（提示的附录）

测试误差及样品厚度选择

对于给定的测试腔，模式号数n和腔体半径R为已知。测得样品厚度d，测试腔谐振频率f。，活塞位移量S后就可联解方程（5)、（6)、（7)、（8)而得介电常数=。然而，方程（7)是一超越方程，解之较费时间，因此，需要做一些具体的处理。如果样品厚度d已知，由方程（5)和(7)可知：S=f(e)

由e'求S这样的反问题，方程（7)变为一个简单的三角方程。...（B1）

对于待测的样品，往往只能知道e'的大致范围，也就不能根据方程（3)来精确设计样品厚度d。基于此原因，同时为了计算简捷起见，可以将介电常数=的测量范围分为若干小段，每一小段取e的中间值由方程(3)来计算样品厚度d。对于确定的测试腔(R,f。确定)可以得d的具体值。例如，对于某一TE%4测试腔有：

2R=51.4mm，f。=9.5GHz

可得：

进而可以按方程(B1)的形式，事先计算出：3.0~3.5

e=f(S)

的数据表，以备测试计算时查用。同样，由方程（10）、11)、（12)、（13)，可以计算：P=f(S)

L=f(S)

L,=f(S)

由此，根据方程（15)，可预先计算：q=f(S)

[1 + (会)]- N

则方程（9）可写成：

tand,=N

11.0~13.5

13.5~17.0

17.0~22.0

（B2）

.（B3）

（B4）

（B5）

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显然根据方程(B2)和(B4)，可以预先计算：Nf(S)

对于确定的测试腔，是这样预先计算的：、、N=f(S)

其数据表将极大地简化计算的过程。B2测试误差

采用方和根值进行误差综合。

=F(Af。、AR、Ad、ASI、Af。)

·（B6）

（B7）

Atano,=F(Af、AR、ASi、Ad、A(Af).、A(Af)..AA、AA1、AA21、tano.)........(B8)

式中：Af。

Af\。

A(Af),

A(Af)。

-谐振频率测试误差；

测试腔半径的加工精度；

测量S时因腔体的测微头精度而引人的误差；放人介质前后两次测试时，测试腔调谐的偏差。它由实验统计测定；介质试样厚度的测量误差；

试样装人测试腔后，测量测试腔的“半功率”点频宽的误差。由实验统计确定；测量未装试样的测试腔的“半功率”点频宽的误差，由实验统计确定；测量衰减量A，因衰减器精度而引人的误差；测试腔中装人试样后，测量衰减量A2因衰减器精度而引人的误差；测试腔中未装试样时，测量衰减量A2因衰减器精度而引人的误差；为了达到：

的精确度，要求测试中：

Atang.=3%tang.+3×10-5

Af。=Af。≤1×10-6f。

AD=2AR≤0.02%D

AS,≤0.01mm

Ad≤0.01mm

(f), =(f)。≤5×10-1f。

AA=AA21s=AA21e≤0.02dB

Q≥40000

9dB>A>7dB

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现行