GB T 9534-1988 毫米波频段固体电介质材料介电特性测试方法 准光腔法.pdf

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1、中华人民共和国国家标准毫米波频段固体电介质材料介电特性测试方法准光腔法Test method lor complex permittvity GB 9534-88 01 solid dielectric materials at millimeter wave Irequencies usingQuasi-Qptic Cavitytechnigue 本标准采用光学腔，即半共焦准光腔作为测试腔体来测试固体电介质的介电特性。本标准适用于可加工成片状的固体电介质材料。本标准适用的测量范围z1 测量原理f = 30 - 150GHz e = 2 - 15 tano = 5 X 10-5 1 X 10-

2、3 准光腔存在多种模式，选定TEM响(OOq为TEM刷工作模式的模数)为工作模式，当腔长Dq满足下列条件时腔体谐振。1 . _ D. ，l. C Dq = (q + 1) + tan-l(一一)一.(1)R。一Dq.J 2f 式中d-一谐振频率，HzJc一一光速，mm/sJR。一一凹球面镜曲率半径，mm.准光腔稳定工作条件为:O (1一会)(1一告) 1 . . . . . 式中:Rl，Ro为准光腔镜面曲率半径。用一曲率半径为岛，半径为1的金属凹球镜面和半径为甸的金属平面镜置于一机械传动装置上，并保持两镜面的曲率中心联线与两镜面的口径中心点连线重合，构成半共焦准光腔。辆合孔开在凹球面镜上，试样

3、置于平面镜上。两镜之间的腔长距离Dq可调，如图1。中华人民共和国电子工业部1988-04-26批准8 1989-02-01实施GB 9534-88 2 a, q 图1在确定的测试频率下，置入试样后，谐振腔的谐振长度和有载品质因数均发生变化。根据谐振频率、试样厚度、置入试样前后腔的谐振长度和有载品质因数值(有载Q值)，可以计算出试样的相对介电常数e和损耗角正切值tan.2 试验仪器、设备2. 1 半共焦准光腔2. 1. 1 技术要求半共焦准光腔稳定工作条件华坦0.50 半共焦准光腔的光学菲涅尔数(F)式中:aj一一凹球面镜半径，mm，a2一一平面镜半径，mm，A。一一谐振波长，mm.2.1.2

4、凹球面镜和平面镜F4 aj a2 F=一一(盯。.D. 根据半共焦准光腔稳定工作条件的一般要求，凹球面镜曲率半径为zRo句2Dq.，.(。9 GB 9534-88 输入搁合孔开于凹球面镜中心，输出搞合孔位于输入桐合孔近侧，孔壁厚度小于0.5mm。凹球面镜加工要求:Ro土10llm平面镜平面度:0.005, 球面镜和平面镜粗糙度:0.050, 根据光学菲涅尔数范围确定球面镜的半径aj和平面镜半径。2，的的取值还应大于5倍的束腰半径。束腰半径u唱的计算公式见7.2条。半共焦准光腔的无载品质因数(无载Q值)不小于80000。2. ,. 3 机械传动装置机械传动装置必须保证凹球面镜和平面镜的曲率中心连

5、线与球面镜口径中心点和平面镜直径中心点的连线重合。凹球面镜和平面镜与重合连线的失调角必须小于0.50。调节平面镜位置可改变腔体长度鸟，Dq的读数分辨率O.mo 2. ,. 4 半共焦准光腔的结构推荐示意图见附录C所示。2.2 毫米波稳频稳帽信号源输出功率应足以激励准光腔谐振并能使指示器有效指示$输出幅值稳定度优于O.03dB/30min; 频率稳定度优于5X10-7 /h。2.3 精密标准衰减器使用范围:O10dB, 精确度t土0.05dB/10dB;端口驻波比z优于1.06。2.4 数字式微波频率计晶振频率稳定度z优于3X10/d。2.5 隔离器隔离度z大于20dB，正向插入损耗特性:小于3

6、dB;正、反向驻波比:IJ、于1.15。2.6 检波器灵敏度和信号源电平相适应。2. 7 指示器指示器可选用选频放大器z数字电压表。采用选频放大器作指示器时应配用调制器进行方波调制。a. 选频放大器z工作频率1000士8Hz，非线性误差小于满刻度值的2%。b. 数字电压表:5位半。2.8 试样厚度量具读数分辨率:O. 001mm。3 测试系统测试系统方框图见图2。0 GB 9534-88 米波稳频稳幡源隔离器隔离器准光腔隔离器检波器 -i 指示器图24 介质试樨4. 1 试样半径大于3倍柬腰半径，小于平面镜半径衔。4.2 试样厚度(t)隔离帮标准精密衰减器M J.o t=一一:，(mm). .

7、 ., (5) 式中:M-大于或等于2的整数。4.3 试样晶体试样晶轴定向小于0.5005 测试条件5. 1 正常测试大气条件温度:20-30C，相对湿度:45%-75%，气压:86106kPa。2飞Ie对一个试样在正常测试大气条件下进行测量期间，温度、温度应该保持稳定状态。5.2 仲裁测试的标准大气条件温度:24-26(:，相对湿度:48%-52%, 气压:86106kPa。8 测试步骤6. 1 测定样品厚度t.精确到O.002mm.6.2 开启测试系统，预热，使系统进入稳定工作状态。精密标准衰减器置于起始衰减位置。6.3 数字式微波频率计测定准光腔工作频率。6. 4 根据工作频率，选取半共

8、焦准光腔TEM刷工作模式的模数q.计算空腔谐振时的腔体长度A。6.5 依据计算的腔长鸟，调节机械传动装置使空腔谐振，并使指示器指示读数最大。记录空腔谐振时的腔长读数Dqo和指示器指示的读数值。6.6 调节精密衰减器使衰减量增加3dB.从指示器上读取谐振半功率点的指示值。6. 7 调节精密衰减器，将衰减器回复到起始分贝位置，指示器回复到原来的谐振指示读数值。6.8 根据6.6条中读取的半功率点指示值，调节机械传动装置，改变腔体长度，测定对应谐振半功率点B 9534-88 频率宽度的腔快变化量.DO6.9 将测试样品置于平面镜中央，腔体长度置于Dqo位置，调节机械装置，缩短腔体使其恢复谐掘。读取指

9、示器读数最大时的腔长如读数和指示器指示值.6.10 依照测试步骤6.6-6.8条测定置有试样时谐振半功率点频率宽度所对应的腔体长度变化量.Dd 6.11 翻转样品，根据测试步骤6.3至6.10条对测试样品再进行测试。6.12 将重复测试二至三次数据的算术平均值作为最终测试结果。6.13 测试原始记录表格见附录B.7 计算公式7.1 空腔谐振时腔长Dq由公式(1)计算.7.2 相对介电常数计算公式士阳(刷一供)=一阳(kd一. . (6) e = (1 + e)n2 式中z仇=tan-1(2t/n阳们s命=阳-1忐(d+ t/的一U川2t/叫), 1 吗=dHNWo-4-t叫，k=Zz hE?s

10、 d = Dq - t - PI P = Dqo - Dqdl e一一桐合孔、凹面镜与高斯波束等相位面不吻合以及反射镜有限电导率等影响对介电常数旷的修正因子，e等于-0.0066，WO一一柬腰半径，mmlc一一光速，c=2.997929X 1 011mm/s , f一一谐振频率，Hz，-0-一谐振披长，mm，Dq一一理论计算的空腔谐振长度，mm，Dqo一一测量的空腔谐振长度，mm，D刷一一测量的置有试样时谐振腔体长度，mm.求解超越方程(6)采用计算机数值解法.7.3 损耗角正切值计算公式G. t + d tan = .: -=.(.7) 响G t +二-;:sin2(kd+仇)J2k 式中:

11、0= _/_.1 目212 GB 954-88， 12土1-Dq(G+ 1) Q. Qu QL() 2(G - t +的QIA一一空腔酌有载品质因数，Qu=1.丛F6J)qO 1 -4巧J仇-DD，。Qu一一置有测试样品时应体有载品质因数，QU=1.耍。 , L.LIqd 1 -4元-J仙一D-h山8 误慧本标准测试方法在测试范围内的测量总不确定度=字土1%Ltan 一一一士11%+ 6. 5 X 10-6 tan 13 Al 介电常数d的测量误蕴GB 9534-88 附景A误锺分析(参考件)Al.l 准光腔频率误差对测量d引入的误差(坐)-tFt一州)JseC2Ql+ Fd一州问2df 一.

12、(A1) eI ) f -Ql -.J句(n)+叫seC2Ql一帆的PecZQz-unQIf 式中22切211. (k) = _2J_2-u 2k2叫+4t2 一-2t阳喝+4t(2d + 2t/幅2一Ro)/四2kw11. (n)一n2k2w3 + 4t2 4自(帽)=叫品(2d+ 2t川一仇)+ 1J 叫k(2d + 2t/n2 -Ro)川/n2)+ kJ 2 Ql口nkt一cQ2=kd一命伪、街、如币、4的表达式见正文。计算表明，桐合孔、凹面镜与高斯波束等相位面不吻合以及反射镜有限电导率对频率的影响均为负值，即z(坐)=(-09叼e 1/. t - 0.38% t = 15 e = 2

13、根据误差处理方法，提取-0.0066为修正因子。(坐)=(-02叼d IM1+0.28% e = 15 e = 2 Al.2 样品平面度对测量d引人的误差(坐)，=一2(-.(!t - c )seC2Ql + P叫仙eI 1. - Ql -H伤。)+叫seC2Ql一似的secQ￥-tanQl 式中zMM-JKRo-2d-2旷的11. (t) = 干工u2 一一亏1- 2(Ro - 2d - 2t/n2) (d + t/n2) J 一一一1- 2t(Ro - 2d - 2t/n2) J UJBn2 L .L - -u .- -, . , ,- I ,., _J ktoBn2 仇(0= -U n

14、1 + .主(d+ t/n2) J2 1十一主-;:J2k-I .l L I n2w.t 该项误差随待测样品e的增大而增加。.(A2) Al.3 空腔谐振腔长和置有试样谐振腔长之间的变化量P的测量误差对e的测试影响经计算可忽略。GU 9534- 88 A.4 (，的测试误差合成(￥).X =士F耳fFCA2 tan测量误差A2.1 e对tan测试训人的误差式巾g( 1 t 0 (11) tan(n) = Q. l -.;. t. G卡五sin2(k(一仇)Jf)(n) n . . .) 2:cos2(kd一仇)十(;(n) tJ G. t + d k .-.-,.-. - - ,-, ( 一-

15、一一?一一-.一-一-一一-一一-一一-一一一-一一一一一坠dev,. (J.t十一sin2(kd一仇)2I 2k- ,.- 7 J ,2 ( (11) = -.-一一一-2吨n2cos(nkt一仇)十sin2(nkt一仇)U2COS(lIkt一份，)十sin2(nkt一轨r. (A.l) ( 2ncos(时t一仇)- kt -t;(n)n、in(lIkt一仇)+ 2sin(llkt一仇) kt一似(11)co，(ukt一-仇)! 此项误差的大小和材料的介电常数的大小有关。A2.2 厚度t的误差对tan测试引人的误差( 1 0十t(i，(t)十ldtan(t) = ( Q ) O. t十一si

16、n(kd十仇)飞2k。十tG(t) +土2k-2位(t)Jc2kd一仇。)J 1 G t十d. I v_ -.1 2kL. f._jL.-1_J 一.-一. 一一一?一一一一一一一一一一一- Jt (A5) Iot, t G十土创n(kd一向)J2 I 2k - ,._ ro - -, J 式中:-_ n2 G(t)= . . . _2 -n2nk一份(t)J吕in(lIkt一轨)ncos(nkt一仇)+由12(lIkt一仇)J2 + Ilkt.-t;(t)2sin(lIkt一仇) CO电(1/，kt一仇) A2.3 Q值测量误差对tan测试的影响A2.3. 半功率点确定不准引入对Q值的测量误

17、差测试系统经计量校正后，标准衰减器在3dB处的读数误差为M=O.02dB。(叫fi的也1- A A2. 3. 2 半功率点带宽M测量不准对Q值测量的误差GB 9534-88 (坐)M=A(叫)Qo ) M + 11(11f) A2. 3. 3 腔体在系统中失配对Q值测量的误差r I 2(8 - J) 一一(叫斗8+2Qo 1失12(8一1)l 1 + 2fJ8 .(A6) .(A7) A2. 3. 4 对A2.3. 1A2. 3. 3条进行误差舍成，得到在系统中进行Q值测量的总误差(坐飞川!，:0:土2():，+(毗2I I叫呻21 21 -.，. 1 :o:i: 2 .11一1+ -:1 +

18、 I一)Q岛8)皿飞Q仇oJ -v飞QJ f非QJ41Q失Q值的测量，若有条件，采用高精度的频率合成器作信号摞，用改变频率方法测定Q值，可大大提高精度.A3 对tan测试的总误蕴(如)mu=土(如:十(哲r+ (如):温度 湿度样品名称编号样品直径样品厚度mm mm r-16 测试人10 GHz 附录B测试原始记景参考件)测试日期D.o tJo D . 委托单位tJ，咂P d 寸GB 9534-88 附录C半共焦准光腔推荐结构示意回参考件)2 王/图Cl3 1一植调锁定，2一腔长粗调，3一腔长细澜，4一输入铜合波导，5一输出藕台波导;6一凹球面镜，7一平丽镜，8一徽调螺钉，9一支架110一平面镜传动架7 17 G 9534- 88 附加说明:本标准Il上海科学技术大学负责起草。18