基于谐振腔体法的材料电磁参数测试

3 谐振腔体法的具体测量过程

在进行测量之前，先逆时针粗调旋转游标卡尺，使得游标卡尺一侧的半圆柱体腔体尽量靠近左边固定住的半圆柱体腔体，然后细调游标卡尺，使得两个半圆柱体腔体紧紧连在一起，又不会挤坏，这个时候把游标卡尺的读数置零。之后，调节腔体上方的前后两个旋钮盘，可以通过调整跟腔体相连的耦合环来改变腔体内的耦合强度，最开始时只需把跟耦合环上的螺栓调到中心刻度就可以了。

这次测量所采用的仪表是安捷伦公司的PNA系列微波矢量网络分析仪E8363C，频率范围从10 MHz至40 GHz。启动E8363C后，设置测量频率范围为10 GHz-10.06 GHz，测量S21，设定Scale为Autoscale。在矢网E8363C的测量界面将出现一谐振峰值，调节腔体上方的两个旋钮盘，使得峰值在-55dB和-65dB之间，建议为-60dB。

安捷伦提供了一型号为85071E的材料测量软件，这个软件可以单独运行在基于Windows XP系统的E836C上，也可以运行在外部电脑上，然后外部电脑可以通过USB/GPIB卡 82357或者网线控制矢网E8363C完成相关测量。

这个腔体测量软件简单易用，首先是对空腔体进行测量，会得到空腔体的谐振频率和品质因子，谐振频率应该在10 GHz和10.06 GHz之间，品质因子为20000以上。点击测量后，S21的峰值应该在-55dB和-65dB之间，一般取-60dB，所以如果远离这个范围，会出来如图5所示的消息对话框，提示我们顺时针或逆时针调节腔体上的旋钮盘，使得S21的峰值达到-60dB，当箭头指示符消失时，说明已经调节好了，结果显示如图4所示。

本例中所测量的材料为一块状聚四氟乙烯，厚度可用85072A腔体自带的游标卡尺方便的测出，为1.533mm，游标卡尺的精度可达0.001mm。对于85072A谐振腔体来说，要求被测样品表面是平的，长、宽大于5.6cm，厚度介于0.05mm和5mm之间。

最后，点击测量后，就可以得到插入样品后的谐振腔体的谐振频率以及品质因子，然后软件就会自动算出样品的相对介电常数的实部和虚部，以及损耗正切，从图4中我们可以得到聚四氟乙烯的相对介电常数实部Er'=2.04773，虚部Er''=0.00056，损耗正切loss tan gent=0.00027。可以看出来，85072A谐振腔体的测量精度很高，一般来说，针对TE011主模，Er'的精度为1%，损耗正切的精度为0.0001。






图2 带有游标卡尺的85072A谐振腔体 图5 提示调节旋钮盘

   

4 结论

本文介绍了一种全新的分裂圆柱体谐振腔体，并且以聚四氟乙烯的测量为例，详细介绍了采用这种腔体完成介质材料测试的具体过程。此项方法操作简单、精度高， 的精度为1%，损耗正切的精度为0.0001，最适合于衬底、薄膜、PCB等材料的测量，并且遵循IPC测试规范TM-650 2.5.5.13。



图3 基于矢网E8363C的85072A腔体测量设置



图4 基于85071E材料测量软件的测量结果