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1、微波陶瓷介电性能自动测试系统设计 摘 要：开路型微波陶瓷材料介电性能自动测试系统的设计包括系统的测试原理、系统硬件和软件组成。利用操作界面友好的自动测试程序，可在程序面板上限制网络分析仪，实现测试数据的实时采集、分析计算与显示存储，从而提高测试效率与精度。实测表明，利用该系统能对高介电常数、低损耗的微波陶瓷材料复介电常数进行快速、精确、无损的自动测试。 关键词：介电性能；介质谐振器；VEE；自动测试 中图分类号：TP29,TN101 文献标识码：B 文章编号：1014373X(2022)1616003 Design of Automatic System for Measuring Diele
2、ctric Properties of Microwave Dielectric Ceramics CHEN Cihai.1,LI Xiuyan.1,XIAO Fen.2 (1.Zhangzhou Normal College,Zhangzhou,363000,China；2.Xiamen University,Xiamen,361015,China) Abstract：Design of open automatic system for measuring dielectric properties of Microwave Dielectric Ceramics(MWDC) is int
3、roduced,including testing principle,system hardware and software.The automatic measurement program provids a friendly interface between the VNA and the experiment operators,it can be applied to control the network analyzer,sample and compute the testing data,the results can be obtained and saved ins
4、tantly.the measurement efficiency and precision are improved.It is shown that the system can be used for the rapid,accurate,nondestructive and automatic measurement of the high r and low tan of MWDC materials. Keywords：dielectric properties;dielectric resonator;VEE;automatic measurement 微波陶瓷是指应用于微波电
5、路中作为介质材料完成一种或多种功能的陶瓷，是一种经济型电子元器件材料。评价微波陶瓷在微波频段介电性能的参数主要有：相对介电常数r、介质损耗tan 、谐振频率温度系数f。这些参数的精确测试是探讨材料微波特性和设计电子器件的重要环节之一，一般采纳的测试方法是短路型介质谐振器法1,2，但对于高介电常数和低损耗材料，由于介质样品端面与两金属导电板干脆接触，传导损耗较大，使得低tan 陶瓷材料测试引入较大的误差。为提高测试效率与精度，采纳开路型介质谐振器方法，在硬件基础上开发自动测试软件，构建开路型微波介质陶瓷材料的自动测试系统。 1 理论分析 在短路型平行板介质谐振器的基础上，把样品与金属板拉开肯定的
6、距离，削减干脆接触的影响，形成开路型的系统结构见图1。 利用Weinstein计算本征值的变分法3，把两金属板包含的空间分成是柱内(ra)两部分，考虑电磁场在r=a处连续，求解Helmholtz方程。分析轴对称模式TE014，得到谐振频率和介电常数关系的矩阵方程：det W(f0,r,a,L,L1,L2)=0 通过数值算法，把测量的谐振频率f0值代入方程(1)求解，可以算出样品的介电常数。 图1 开路型平行板介质谐振器对于样品的Q值，谐振时，大部分能量储存在样品中，一般干脆把介质的Qd当作样品的Q值5，但这种做法对于低损耗的材料会引入肯定的误差。为精确测出样品的Q值(Q.1=tan )，把传导
7、损耗也考虑进来，采纳Kajfez等提出的方法6,7，结合微扰理论可得： Qcu=f0f0L1c 1Qc=2Qcu 在式中：c是导体的趋肤深度；Qc是表征总的传导损耗的Q值。系统结构对称，认为上下金属板损耗相等。 从介质Q因素定义动身，应用微扰法，可得：Qd=f02f0rr1tan (3) 把式，以及方程式：1Qu=1Qc+1Qd联合，可得到谐振器材料的损耗角正切tan 。 2 自动测试系统 2.1 硬件系统 开路型介电参数自动测试系统硬件主要由几部分组成：Agilent网络分析仪(VNA)8，GPIB to USB接口卡、计算机和测试夹具等。系统连接示看法图2。 图2 自动测试系统示意图矢量网
8、络分析仪是具有测量双端口网络反射和传输特性等功能的射频微波仪器。试验中通过测量S21传输参数，经过一系列的数据处理，达到测试微波介质陶瓷介电性能的目的。 GPIB接口卡是计算机USB接口与网络分析仪GPIB接口之间的转接卡，通过编程，建立计算机与网络分析仪之间数据通信，是实现自动化测试一个重要环节。 开路型平行板测试夹具主要由两块抛光镀银处理过的圆形金属板组成，以提高平行板介质谐振腔Q值，提高测试精度。为便利样品的放置与精确测试，夹具上安装有可以上升和下降的测微螺旋。设计2个对称的半刚性同轴电缆与样品距离调整的三维耦合环定位装置，便利同轴耦合电缆的高度定位和进行耦合量调整，促使其有效地激励特定
9、的工作模式。 测试中运用圆柱形介质谐振器，样品厚度L一般大于3 mm，大于半刚性电缆的直径，为保证样品能激励起TE01模，依据平行板介质谐振腔的模式图，应避开TE01谐振峰的重叠及谐振处于泄漏态，对于平行板开路型介质谐振器，D为谐振器直径，一般状况下，只要选取L/D0.7，就可以保证谐振器的最低次模是TE01模。 2.2 软件系统 系统的自动测试程序在Agilent VEE图形化编程环境下进行编写9，能够实时采集测试数据并分析计算与存储。通过监视与限制矢量网络分析仪，便利了测试人员操作，提高了测试效率。用VEE图形化控件架构程序，整体程序流程见图3。 图3 程序流程图程序用到的几个模块有：仪器
10、限制、频率扫描、数据采集、计算处理、曲线获得、数据存储与打印模块等。当网络分析仪通过GPIB接口卡与计算机连接后，可进一步实现两者的数据通信。首先通过仪器管理对话框(Instrument Manager)找到测试仪器原驱动器，并添加相应仪器设备，表示仪器的功能控件已进入开发环境，可以进行程序限制与数据通信。接着通过调试限制仪器与设备初始化模块，推断数据通信是否正常，同时对网络分析仪的工作参数进行初始化设置，比如：扫描功率，扫描的数据点数，显示曲线的选择和曲线的平均点数等。 计算处理程序部分(见图4)接收采集到的测试参数和测试人员从程序界面输入的介电陶瓷样品的尺寸参数，调用Matlab脚本程序，
11、利用相关公式进行求解(包括贝塞尔函数等)。计算得到的结果有相对介电常数，损耗角正切等。 最终是Excel数据表文档处理，程序进入表格初始化部分，首先要创建和宣告几个应用到的全局变量，存放到UserFunction控件中，接着用Call吩咐调用全局变量。启动Excel程序，并创建一新的空白表格，指定数据存放在sheet1，在当前窗口下显示Excel数据文档，自动在表格第一行填写设定的表头值，并命名窗口标题。 为操作便利，设计友好的运行界面。在测试过程中程序界面图(见图5)。程序总体操作流程为：运行测试程序，点击Start按钮，起先进入网络分析仪的初始化，程序自动生成MS Excel文档Test_
12、result.xls，同时打开数据记录表格，并设置表格的框架、数据填写格式等，接着程序弹出对话框提示起先输入样品尺寸等，并自动填入表格文档，估算初始频率，进入自动搜寻过程，把找到TE01模谐振峰值信息记录下来，对数据进行分析计算，填入表格，同时在电脑屏幕测试面板界面上显示测试的相关数据，把谐振峰图形数据也采集显示到面板上，操作人员可干脆视察谐振峰是否对称等。接着询问是否接着下一个测试，测试完后，可以进行数据文件的存储、打印。 图4 计算处理VEE程序图 图5 程序操作界面 3 测试结果与比较 利用自动测试系统，测试过程中调整两耦合环与介质样品的相对位置，尽量使得TE01模谐振峰对称。同时使两耦
13、合环与介质样品之间的耦合量适当。通过标定平行金属板导电率，测得几组数据并与开路型方式比较如表1所示。 表1 测试结果比较 样 品开路型方式测试短路型方式测试f0 /GHzrtan (10.-5)f0Q /GHzf0 /GHzrtan (10.-5)f0Q /GHzBCZN4.95636.949.7450 9676.164*36.89*13.80*44 667*313405.06636.248.8157 0386.317*36.01*11.60*54 457*314405.40232.3416.7332 2896.92032.2423.0630 009114405.63430.3022.2225
14、 3557.28430.2230.3424 008313605.28434.2914.7535 8236.75234.2319.7334 222 注：带*表示数据为电子科大测试结果 从表上数据可以看出，运用开路型介质谐振器法测试时，上下金属平行板没有与介质样品干脆接触，因而传导损耗小，对介质损耗测试所造成的干扰最小，所测试的无载Qu值就有可能最接近真值。说明开路型方式所测的介质损耗角正切值更加精确。此外，开路法测试的频率值比短路型方式较小，两种方法所得到r的值有一点差别，但基本吻合。 对某样品进行多次测量，结果见表2。其中，r=108.01，tan =80.6810.-5。则r和tan 的相对
15、误差分别为：rr0.01 %，tan tan 0.23 %。由此可见，测试结果有很好的重复性。 表2 单样品五次测试结果 次数f0 /GHzrrtan (10.-5)13.894 0108.0180.8123.893 9108.0280.8233.893 9108.01108.0180.4943.894 1108.0080.4553.894 0108.0180.82 4 结 语 在VEE开发环境中，通过内嵌Matlab实现图形化测试程序，实现对矢量网络分析仪的限制及测试数据的读取、分析计算与存储。实际的运用证明，自动测试系统提高了测试效率，使得微波介质陶瓷材料介电参数测试变得简洁、直观，测试的
16、大部分工作能在软件限制下完成，具有较好的精确度和好用性。对生产和研制运用微波介质谐振器起到肯定的促进作用。 参 考 文 献 1Kobayashi Y,Tamura H,Robin H.Test on a Dielectric Resonator Method for Measuring Complex Permittivity at Microwave Frequency J.IEICE Trans.Microwave Theory Tech.,11014,77(6):882887. 2唐宗熙.介质谐振器介电参数频响特性及频率温度参数的测量J.计量学报,2002.23(1):5761. 3Go
17、uld S H.Variational Methods for Eigenvalue ProblemsM.Toronto,Canada:University of Toronto Press,1966. 4Jaworski M，Pospieszalski M W.An Accurate Solution of the Cylindrical Dielectric Resonator ProblemJ.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,11019,MTT27:639643. 5Lee J,Lim S H,Lee S H,et al.QFactors of a R
18、ing Dielectric Resonator in an MIC StructureC.Radio and Wireless Conference,IEEE,RAWCON 101,11019:1951101. 6Kajfez D.Incremental Frequency Rule for Computing the Qfactor of a Shielded TE0mp Dielectric ResonatorJ.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,11014,MTT32:941943. 7Kobayashi Y,Aoki T,Kabe Y.Influen
19、ce of Conductor Shields on the QFactors of a TE0 Dielectric ResonatorJ. IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,11015,MTT33:1 3611 366. 8Agilent Technologies.PNA Series E8362B Network Analyzer Help.2004. 9Agilent Technologies. Agilent VEE Pro 6.0 Help.2000. 作者简介 陈赐海 男，11013年诞生，福建漳州人，硕士，讲师。探讨方向为射频微波理论与应用、微波测量、应用电子技术等。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页