一种对粉末材料的介电常数变温测试方法

周舒

1概述

微波技术的飞速发展，对天线、微波元器件的要求在航空、航天、通讯技术与信息技术等高科技领域随之提高，从而也催生了微波材料在这些领域中的广泛应用，研究微波材料也有越来越重要的意义和实用价值；

目前市场上绝大部分微波材料生产商都无法提供准确的微波材料的介电常数，并且工作环境温度会随着微波器件上工作功率的提高而上升，这时候就需要得到随温度变化的微波材料介电常数，另外介电常数和磁导率通常会随着温度和频率的变化而发生改变；在微波元器件中，功率升高，也会使其温度升高，用于微波元器件中的微波材料工作温度发生变化，影响了微波元器件正常工作，因此提出了微波材料介电常数变温测试技术，本文将主要介绍微波材料宽频段内介电常数的变温测量问题。

2 测量方法

Nicolson、Ross和Weir等科学家在上世纪七十年代提出了一种电磁参数测试的方法，即NRW[1，2]法，也就是我们熟悉的传输/反射法。

传输/反射法是将被测样品放置于传输线（矩形波导或同轴线）中，利用二端口网络特性将测试夹具等效为一个双端口网络，通过矢量网络分析仪测量这个二端口网络的网络参数，利用电磁参数与散射参数之间的关系反演得到被测材料的复介电常数，从而达到了将电磁参数测试问题归结为互易双端口网络散射参数的测试问题。

图2-1所示为同轴传输线待测件测量示意图，同轴传输线中放入相对复介电常数为，长度为的待测材料样品，没填充被测材料部分的介质介电常数为。

其中，待测材料两端到测量端口一、二的距离分别为d1、d2，介电常数为的传输线段的特性阻抗为，长为l的待测材料段的特性阻抗为，矢量网络分析仪测得待测材料样品两端的S参数，利用反射系数和传输系数与S参数、介电常数的关系，最终反演出待测材料的复介电常数[3，4]。

3 测试系统

变温测试系统的温度控制系统选用了成熟的温度控制仪RKC-CH102，配合热电偶温度传感器和加热棒使用，共同实现对温度的加热和控制，因为对介质材料进行高温测量（最高达200℃），所以隔热部分和散热部分[5]目的是将待测件的温度降至矢量网络分析仪端口的使用温度（-20℃～50℃），如图3-1所示，其中待测件DUT包括了温度加热和控制部分。

4 测试结果

利用该测试系统首先对已知介电常数的材料空气（介电常数实部为1）进行了复介电常数常温测试，然后再对粉末材料进行了室温～200℃，频率1～18GHz的变温复介电常数测试。

4.1 常温测试

本文先对空气进行了室温测试，测试结果如图4-1所示

由图4-1可以看出，在常温条件下，对空氣进行了五次测量，其相对介电常数偏差不大，重复性很好。

4.2 粉末材料变温测试结果

测量范围：室温～200℃，频率1～18GHz，每隔50℃取一个点，将得到的数据绘成温度特性曲线如图4-2所示。

如图4-2所示，某粉末材料模拟在室温～200℃范围内一般随着温度的升高而升高。

5 总结

本文主要以同轴传输线理论为基础，主要研究在频段（1～18GHz）、室温～200℃内粉末材料的介电常数测量，确定了使用同轴传输线作为测试夹具，通过MATLAB软件编程反演几种常见材料的介电常数，证明了本文所使用反演算法的可行性，最终完成了粉末材料的变温介电常数测试。■

参考文献

[1]Nicolson A. M， Ross G. F. Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Ti-me Domain Techniques. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1970，4（19）：377-382.

[2]Weir WB. Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. Proceedings of the IEEE 1974， 1（62）：33-36.

[3]田步宁，刘其中，杨德顺，等.传输/反射法测量复介电常数的三个方程研究[N].宇航学报，2002.9.

[4]赵才军，蒋全兴，景莘慧.改进的同轴传输/反射法测量复介电常数[N].仪器仪表学报，2011，3.

[5]李恩.吸波材料电磁参数在X波段的变温测试[D]. 成都：电子科技大学，2003.