一种精确测量介电常数的测试系统及方法

摘要

一种精确测量介电常数的测试系统，包括天线部分、射频电路部分以及数据处理显示部分；天线部分包括测试天线和散射样本；射频电路部分包括射频信号源和射频电路，其中射频电路由定向耦合器、低噪声放大器、功分器、混频器以及低通滤波器组成；数据处理显示部分由放大电路与ARM开发板组成；利用天线输入阻抗的变化和辐射场准确测量出样本的电磁参数。本发明具有能够精确测量低介电常数材料和高介电常数材料，误差小；测试系统简单，便于集成；散射体样本形状简单易于加工，可以对散射体样本进行扫频测试的特点。

主权项

一种精确测量介电常数的测试系统，其特征在于：包括天线部分、射频电路部分以及数据处理显示部分；所述天线部分包括测试天线和散射体样本；所述射频电路部分包括射频信号源和射频电路，其中射频电路由定向耦合器、低噪声放大器、功分器、混频器以及低通滤波器组成；所述数据处理显示部分由放大电路与ARM开发板组成；测量的具体步骤为：(1)给测试天线施加一个激励，产生辐射场，同时测试天线在端口处具有输入阻抗；随后放入散射体样本，测试天线产生新的辐射场，同时在端口处具有新的输入阻抗，通过辐射场与输入阻抗的变化求出散射体样本的介电常数和损耗，公式如下：$Z^{\prime }-Z=\frac{1}{I^2}\underset{V_p}{\int }\{-[{\sigma }^{\prime }-\sigma +j\omega ({ϵ}^{\prime }-ϵ)]E^{\prime }·E\}dV$其中，无样本时测试天线的输入阻抗为Z，测试天线终端的电流为I即为Z的倒数，σ为空气的电导率为0，ε为空气的介电常数即ε₀为空气介电常数，E为V_P样本体积内的电场在仿真中提取，ω为天线的角频率，f为天线激励的频率，有样本时测试天线的输入阻抗为Z'，σ'为样本的电导率，ε'为要求样本的介电常数ε'＝ε₀ε_r，E'为V_P内的电场，可以通过E计算得出，计算出无样本时测试天线的输入阻抗Z和有样本时测试天线的输入阻抗Z'；(2)利用电磁场仿真软件进行模拟和仿真，设计出一个贴片微带天线，得到要求的输入阻抗和电场分布，再用Matlab对仿真的数据进行处理验证；(3)按照仿真的贴片微带天线做出实物，用网络分析仪测量中心频点和输入阻抗，验证贴片微带天线实物的正确性；(4)加工好待测的散射体样本，用不同的微波材料加工成不同的形状；(5)将散射体样本放入贴片微带天线的辐射场中，测出此时贴片微带天线的输入阻抗；(6)通过测试系统自动计算出散射体样本的相对介电常数(ε_r)和损耗角正切(tanδ)；(7)改变测试频率，重复以上步骤，对散射体样本进行扫频测试，测量不同频率下的相对介电常数和损耗角正切。