摘 要：開(kāi)路型微波陶瓷材料介電性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的測(cè)試原理、系統(tǒng)硬件和軟件組成。利用操作界面友好的自動(dòng)測(cè)試程序，可在程序面板上控制網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析計(jì)算與顯示存儲(chǔ)，從而提高測(cè)試效率與精度。實(shí)測(cè)表明，利用該系統(tǒng)能對(duì)高介電常數(shù)、低損耗的微波陶瓷材料復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的自動(dòng)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：介電性能；介質(zhì)諧振器；VEE；自動(dòng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP29，TN99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1616003

Design of Automatic System for Measuring Dielectric 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，361005，China)

Abstract：Design of open automatic system for measuring dielectric properties of Microwave Dielectric Ceramics(MWDC) is introduced，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 instantly.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 εr′ and low tan δ of MWDC materials.

Keywords：dielectric properties;dielectric resonator;VEE;automatic measurement

微波陶瓷是指應(yīng)用于微波電路中作為介質(zhì)材料完成一種或多種功能的陶瓷，是一種經(jīng)濟(jì)型電子元器件材料。評(píng)價(jià)微波陶瓷在微波頻段介電性能的參數(shù)主要有：相對(duì)介電常數(shù)εr′（以下簡(jiǎn)稱介電常數(shù)）、介質(zhì)損耗tan δ、諧振頻率溫度系數(shù)τf。這些參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試是研究材料微波特性和設(shè)計(jì)電子器件的重要環(huán)節(jié)之一，一般采用的測(cè)試方法是短路型介質(zhì)諧振器法^{［1，2］}，但對(duì)于高介電常數(shù)和低損耗材料，由于介質(zhì)樣品端面與兩金屬導(dǎo)電板直接接觸，傳導(dǎo)損耗較大，使得低tan δ陶瓷材料測(cè)試引入較大的誤差。為提高測(cè)試效率與精度，采用開(kāi)路型介質(zhì)諧振器方法，在硬件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試軟件，構(gòu)建開(kāi)路型微波介質(zhì)陶瓷材料的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

1 理論分析

在短路型平行板介質(zhì)諧振器的基礎(chǔ)上，把樣品與金屬板拉開(kāi)一定的距離，減少直接接觸的影響，形成開(kāi)路型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

利用Weinstein計(jì)算本征值的變分法^［3］，把兩金屬板包含的空間分成是柱內(nèi)(ra)兩部分，考慮電磁場(chǎng)在r=a處連續(xù)，求解Helmholtz方程。分析軸對(duì)稱模式TE01δ^［4］，得到諧振頻率和介電常數(shù)關(guān)系的矩陣方程：det W(f0，εr′，a，L′，L1，L2)=0（1） 通過(guò)數(shù)值算法，把測(cè)量的諧振頻率f0值代入方程(1)求解，可以算出樣品的介電常數(shù)。

圖1 開(kāi)路型平行板介質(zhì)諧振器對(duì)于樣品的Q值，諧振時(shí)，大部分能量?jī)?chǔ)存在樣品中，一般直接把介質(zhì)的Qd當(dāng)作樣品的Q值^［5］，但這種做法對(duì)于低損耗的材料會(huì)引入一定的誤差。為準(zhǔn)確測(cè)出樣品的Q值(Q.－1=tan δ)，把傳導(dǎo)損耗也考慮進(jìn)來(lái)，采用Kajfez等提出的方法^{［6，7］}，結(jié)合微擾理論可得： Qcu=f0－Δf0ΔL1δc

1Qc=2Qcu（2） 在式（1）中：δc是導(dǎo)體的趨膚深度；Qc是表征總的傳導(dǎo)損耗的Q值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，認(rèn)為上下金屬板損耗相等。

從介質(zhì)Q因素定義出發(fā)，應(yīng)用微擾法，可得：Qd=f02－Δf0Δεr′εr′·1tan δ(3) 把式（2），（3）以及方程式：1Qu=1Qc+1Qd聯(lián)合，可得到諧振器材料的損耗角正切tan δ。

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

開(kāi)路型介電參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件主要由幾部分組成：Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)^［8］，GPIB to USB接口卡、計(jì)算機(jī)和測(cè)試夾具等。系統(tǒng)連接示意見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是具有測(cè)量雙端口網(wǎng)絡(luò)反射和傳輸特性等功能的射頻微波儀器。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量S21傳輸參數(shù)，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理，達(dá)到測(cè)試微波介質(zhì)陶瓷介電性能的目的。

GPIB接口卡是計(jì)算機(jī)USB接口與網(wǎng)絡(luò)分析儀GPIB接口之間的轉(zhuǎn)接卡，通過(guò)編程，建立計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分析儀之間數(shù)據(jù)通信，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

開(kāi)路型平行板測(cè)試夾具主要由兩塊拋光鍍銀處理過(guò)的圓形金屬板組成，以提高平行板介質(zhì)諧振腔Q值，提高測(cè)試精度。為方便樣品的放置與精確測(cè)試，夾具上安裝有可以上升和下降的測(cè)微螺旋。設(shè)計(jì)2個(gè)對(duì)稱的半剛性同軸電纜與樣品距離調(diào)節(jié)的三維耦合環(huán)定位裝置，方便同軸耦合電纜的高度定位和進(jìn)行耦合量調(diào)節(jié)，促使其有效地激勵(lì)特定的工作模式。

測(cè)試中使用圓柱形介質(zhì)諧振器，樣品厚度L一般大于3 mm，大于半剛性電纜的直徑，為保證樣品能激勵(lì)起TE01δ模，根據(jù)平行板介質(zhì)諧振腔的模式圖，應(yīng)避免TE01δ諧振峰的重疊及諧振處于泄漏態(tài)，對(duì)于平行板開(kāi)路型介質(zhì)諧振器，D為諧振器直徑（D=2a），一般情況下，只要選取L/D≤0.7，就可以保證諧振器的最低次模是TE01δ模。

2.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試程序在Agilent VEE圖形化編程環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)^［9］，能夠?qū)崟r(shí)采集測(cè)試數(shù)據(jù)并分析計(jì)算與存儲(chǔ)。通過(guò)監(jiān)視與控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，方便了測(cè)試人員操作，提高了測(cè)試效率。用VEE圖形化控件架構(gòu)程序，整體程序流程見(jiàn)圖3。

圖3 程序流程圖程序用到的幾個(gè)模塊有：儀器控制、頻率掃描、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理、曲線獲取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與打印模塊等（篇幅有限，不一一介紹）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)GPIB接口卡與計(jì)算機(jī)連接后，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信。首先通過(guò)儀器管理對(duì)話框(Instrument Manager)找到測(cè)試儀器原驅(qū)動(dòng)器，并添加相應(yīng)儀器設(shè)備，表示儀器的功能控件已進(jìn)入開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以進(jìn)行程序控制與數(shù)據(jù)通信。接著通過(guò)調(diào)試控制儀器與設(shè)備初始化模塊，判斷數(shù)據(jù)通信是否正常，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，比如：掃描功率，掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，顯示曲線的選擇和曲線的平均點(diǎn)數(shù)等。

計(jì)算處理程序部分(見(jiàn)圖4)接收采集到的測(cè)試參數(shù)和測(cè)試人員從程序界面輸入的介電陶瓷樣品的尺寸參數(shù)，調(diào)用Matlab腳本程序，利用相關(guān)公式進(jìn)行求解(包括貝塞爾函數(shù)等)。計(jì)算得到的結(jié)果有相對(duì)介電常數(shù)，損耗角正切等。

最后是Excel數(shù)據(jù)表文檔處理，程序進(jìn)入表格初始化部分，首先要?jiǎng)?chuàng)建和宣告幾個(gè)應(yīng)用到的全局變量，存放到UserFunction控件中，接著用Call命令調(diào)用全局變量。啟動(dòng)Excel程序，并創(chuàng)建一新的空白表格，指定數(shù)據(jù)存放在sheet1，在當(dāng)前窗口下顯示Excel數(shù)據(jù)文檔，自動(dòng)在表格第一行填寫(xiě)設(shè)定的表頭值，并命名窗口標(biāo)題。

為操作方便，設(shè)計(jì)友好的運(yùn)行界面。在測(cè)試過(guò)程中程序界面圖(見(jiàn)圖5)。程序總體操作流程為：運(yùn)行測(cè)試程序，點(diǎn)擊Start按鈕，開(kāi)始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)分析儀的初始化，程序自動(dòng)生成MS Excel文檔Test_result.xls，同時(shí)打開(kāi)數(shù)據(jù)記錄表格，并設(shè)置表格的框架、數(shù)據(jù)填寫(xiě)格式等，接著程序彈出對(duì)話框提示開(kāi)始輸入樣品尺寸等，并自動(dòng)填入表格文檔，估算初始頻率，進(jìn)入自動(dòng)搜索過(guò)程，把找到TE01δ模諧振峰值信息記錄下來(lái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，填入表格，同時(shí)在電腦屏幕測(cè)試面板界面上顯示測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)，把諧振峰圖形數(shù)據(jù)也采集顯示到面板上，操作人員可直接觀察諧振峰是否對(duì)稱等。接著詢問(wèn)是否繼續(xù)下一個(gè)測(cè)試，測(cè)試完后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)、打印。

圖4 計(jì)算處理VEE程序圖 圖5 程序操作界面

3 測(cè)試結(jié)果與比較

利用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試過(guò)程中調(diào)節(jié)兩耦合環(huán)與介質(zhì)樣品的相對(duì)位置，盡量使得TE01δ模諧振峰對(duì)稱。同時(shí)使兩耦合環(huán)與介質(zhì)樣品之間的耦合量適當(dāng)。通過(guò)標(biāo)定平行金屬板導(dǎo)電率，測(cè)得幾組數(shù)據(jù)并與開(kāi)路型方式比較如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果比較

樣

品開(kāi)路型方式測(cè)試短路型方式測(cè)試f0

/GHzεr′tanδ

(×10.-5)f0·Q

/GHzf0

/GHzεr′tanδ

(×10.-5)f0·Q

/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 3557.28430.2230.3424 008313605.28434.2914.7535 8236.75234.2319.7334 222

注：帶*表示數(shù)據(jù)為電子科大測(cè)試結(jié)果

從表上數(shù)據(jù)可以看出，使用開(kāi)路型介質(zhì)諧振器法測(cè)試時(shí)，上下金屬平行板沒(méi)有與介質(zhì)樣品直接接觸，因而傳導(dǎo)損耗小，對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)試所造成的干擾最小，所測(cè)試的無(wú)載Qu值就有可能最接近真值。說(shuō)明開(kāi)路型方式所測(cè)的介質(zhì)損耗角正切值更加準(zhǔn)確。此外，開(kāi)路法測(cè)試的頻率值比短路型方式較小，兩種方法所得到εr′的值有一點(diǎn)差別，但基本吻合。

對(duì)某樣品進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。其中，εr′=108.01，tan δ=80.68×10.-5。則εr′和tan δ的相對(duì)誤差分別為：Δεr′εr′≤0.01 %，Δtan δtan δ≤0.23 %。由此可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果有很好的重復(fù)性。

表2 單樣品五次測(cè)試結(jié)果

次數(shù)f0 /GHzεr′εr′tan δ

(×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 結(jié) 語(yǔ)

在VEE開(kāi)發(fā)環(huán)境中，通過(guò)內(nèi)嵌Matlab實(shí)現(xiàn)圖形化測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制及測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取、分析計(jì)算與存儲(chǔ)。實(shí)際的使用證明，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提高了測(cè)試效率，使得微波介質(zhì)陶瓷材料介電參數(shù)測(cè)試變得簡(jiǎn)單、直觀，測(cè)試的大部分工作能在軟件控制下完成，具有較好的精確度和實(shí)用性。對(duì)生產(chǎn)和研制使用微波介質(zhì)諧振器起到一定的促進(jìn)作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 陳賜海 男，1973年出生，福建漳州人，碩士，講師。研究方向?yàn)樯漕l微波理論與應(yīng)用、微波測(cè)量、應(yīng)用電子技術(shù)等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文