低损耗介质板的复介电常数测试分离式圆柱谐振腔法(T-CSTM 00985—2023).pdf

ICS 31.180 CCS L 30 团 体 标 准 T/CSTM 009852023 低损耗介质板的复介电常数测试 分离式圆柱谐振腔法 Test method for the complex permittivity of low-loss dielectric platesSplit-cylinder resonator method 2023-04-07 发布 2023-07-07 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 T/CSTM 009852023 1 目 次 前 言.2 引 言.3 1 范围.4 2 规范性引用文件.4 3 术语和定义.4 4 符号和缩略语.4 5 原理.5 6 环境条件.5 7 仪器设备.6 8 样品要求.6 9 测试步骤.6 9.1 样品预处理.6 9.2 仪器准备.6 9.3 样品尺寸测量.6 9.4 空腔校准测试.6 9.5 常温测试.7 9.6 高温测试.7 9.7 低温测试.7 10 计算.8 10.1 介电常数温度系数.8 10.2 介质损耗角正切温度系数.8 11 注意事项.8 12 试验报告.9 附录 A（资料性）介电常数和介质损耗角正切计算.10 附录 B（资料性）测试系统连接框图.13 附录 C（资料性）起草单位和主要起草人.15 T/CSTM 009852023 2 前 言 本文件参照 GB/T 1.12020 标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则，GB/T 20001.42015标准编写规则 第 4 部分：试验方法标准的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会电子材料标准化领域委员会（CSTM/FC51）提出。本文件由中国材料与试验标准化委员会电子材料标准化领域委员会（CSTM/FC51）归口。T/CSTM 009852023 3 引 言 采用分离式圆柱谐振腔法进行测试，规定了 2 GHz100 GHz 宽带范围内的介电常数、介质损耗角正切、介电常数温度系数和介质损耗角正切温度系数的测试方法，适用于市场需求日益迫切的通信用介质板、薄膜等材料的介电性能测试，为材料出厂测试-过程验证-改善验证-终端应用的良性循环提支撑和依据。对比国内外现有标准情况，改进优化的地方：a）测试频段拓展至 2 GHz100 GHz；b）细化了温度系数（TCDk、TCDf）的测试步骤，提高测试的一致性和可重复性；c）描述了在试验过程中影响试验结果的注意事项。T/CSTM 009852023 4 低损耗介质板的复介电常数测试 分离式圆柱谐振腔法 重要提示：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。1 范围 本文件规定了介质平板材料在微波和毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切的分离式圆柱谐振腔法，包括原理、环境条件、仪器设备、样品要求、测试步骤、计算公式、注意事项和试验报告等内容。本文件适用于测试片状材料在微波和毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切，电场平行于平板表面。频率测试范围：=2 GHz100 GHz；介电常数测试范围：=2.0100；损耗角正切测试范围：=1.0 1051.0 102；温度测试范围：=65 125。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2036 印制板电路术语 3 术语和定义 GB/T 2036 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 介电常数 dielectric constant 规定形状电极之间填充电介质获得的电容量于相同结构间以真空或空气介质时的电容量之比。来源：GB/T 2036-1994，6.3.6 3.2 介电损耗角正切 dielectric dissipation factor 对电介质施加正弦波电压时，通过介质的电流相量超前于电压相量间的相角的余角称为损耗角，对该损耗角取正切函数，即为介质损耗角正切值，也称为损耗因数。来源：GB/T 2036-1994，6.3.7，有修改 4 符号和缩略语 下列符号和缩略语适用于本文件。0：真空介电常数，约等于8.854187817 10-12 F/m r：0/r，相对介电常数实部，简称介电常数，同义词：Dk T/CSTM 009852023 5 tan：tan/rr，介电损耗角正切，同义词：Df H：腔体总高度，mm D：圆柱腔体直径，mm f：谐振频率，Hz Q：品质因数 TCDk：介电常数的温度系数，单位10-6/TCDf：介电损耗角正切值的温度系数，单位10-6/T1、T2：测试温度，Dk(T1)：T1温度下的介电常数 Dk(T2)：T2温度下的介电常数 Df(T1)：T1温度下的介电损耗角正切值 Df(T2)：T2 温度下的介电损耗角正切值 5 原理 分离式圆柱谐振腔测试方法采用分离式圆柱谐振腔进行测试，分离式圆柱谐振腔由两个直径为D，长度为M，且其中一端短路的两个半腔体构成，典型结构如图1所示。将厚度t、介电常数和介质损耗角正切为ra和tana的电介质板样品夹在两个半腔之间，即可构成谐振腔，该谐振腔的谐振频率f和品质因数Q值与介质的ra和tana相关。在图1中，图1a)为实际测量时对应的精确模型，图1b)为不考虑法兰边缘效应影响的简化模型。由于法兰处的边缘效应所带来的影响通常较小，所以在测试时采取如图1b)所示模型近似计算，再通过根据如图1a)所示精确模型预先求得的修正曲线得到r、tan的准确值。计算公式参见附录A。在测量时，采用TE01n模式，因此只有与样品平面平行方向的电场分量。介质平板 MMMMttxryEEH2DR a)精确模型 b)ra、tana谐振腔计算模型 图1 加载介质的分离腔模型 6 环境条件 试验环境条件如下：a）温度：232；b）湿度：50%5%。T/CSTM 009852023 6 7 仪器设备 所需仪器设备如下：a）矢量网络分析仪，频率范围应覆盖所需最高测试频率，动态范围应大于 80 dB；b）分离式圆柱谐振腔法测试系统，参见附录 B，分离式圆柱谐振腔尺寸设计原则参见附录 B.3；c）高温干燥箱，温度能满足1052+5；d）千分尺，分辨率不低于 0.001 mm。8 样品要求 样品要求如下：a）被测样品横向尺寸应大于等于腔体直径的 1.5 倍，形状无特殊要求；b）被测样品的厚度 t 可覆盖 0.01 mm10 mm（具体视r、tan以及测试的频率范围而定），被测区域内厚度差应不超过总厚度的 1/100；c）被测样品应为均匀介质，表面应无不正常斑点，内部无不正常的杂质和气孔。9 测试步骤 9.1 样品预处理 样品按以下流程进行处理：a)根据样品属性，选择酒精、异丙醇或者蒸馏水（特殊情况可根据材料制造商要求使用指定的清洗液）作为清洗液，将样品完全浸入清洗液中超声清洗不低于 10 min；b)样品清洗后，根据样品属性，选择是否对样品进行烘干处理。若无需烘干，则进行步骤 c），否则，将样品置于1052+5或其他需求温度下的高温干燥箱中烘干处理2h0min+10min；c)样品放入干燥皿中冷却至室温（232）；d)操作前应戴上手套或者用镊子夹取样品，请勿用手直接接触样品，请勿在样品上写字或贴标签等。9.2 仪器准备 矢量网络分析仪应在校准周期内进行检定，按照制造厂家给定的开机预热时间进行预热或至少开机预热30 min，使仪器达到稳定。9.3 样品尺寸测量 使用千分尺测量样品四边中点厚度，共计 4 个点，取平均值并记录。操作前应戴上手套，请勿用手直接接触样品，请勿在样品上写字或者贴标签，会影响测试结果。9.4 空腔校准测试 空腔校准测试步骤如下：a)将未加载样品的腔体上下两部分闭合；b)根据测试频率需求选定相应的测试模式；c)设置扫描频率，观察谐振峰值，手动对称调节耦合装置插入谐振腔的深度，使谐振峰值调节到预置的某一位置（建议将谐振峰调节在-50 dB（1 dB）或设备要求值）；T/CSTM 009852023 7 d)进行空腔校正，测量空腔的谐振频率和品质因数；e)要校准多个频率，重复步骤 9.4 b)9.4 d)；f)无特殊要求，空腔校准测试仅需测量 TE011和 TE012（或 TE013）两个模式即可。9.5 常温测试 常温测试步骤如下：a)将矢量网络分析仪两个端口通过电缆连接，进行直通校准或响应校准；b)根据测试频率需求，将工作于相应频率范围的测试设备与矢量网络分析仪连接；c)进行空腔校准测试，同 9.4 a)9.4 e)；d)将被测样品夹在两个半腔之间，参见附录 B.2 中图 B.2 所示；e)重复步骤 9.4 b)9.4 c)，进行样品测试，测量加载样品时分离式圆柱腔的谐振频率和品质因数；f)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；g)测试不同频率点的介电常数和介质损耗角正切，重复步骤 9.5 e)9.5 f)。9.6 高温测试 高温测试步骤如下：a)见 9.5 a)9.5 b)；b)密封测试设备；c)设置测试系统温度，开始升温，当温度达到设定温度值后，温度稳定不少于 15 min；d)待温度稳定后，进行空腔校准测试，同 9.4 a)9.4 e)；e)设置测试系统至常温（25），开始降温，待达到常温后，将被测样品夹在两个半腔之间；f)重复步骤 9.6 b)9.6 c)；g)待温度稳定后，开始测试，测量加载样品时分离式圆柱腔的谐振频率和品质因数；h)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；i)测试不同温度的介电常数和介质损耗角正切，先将测试系统降温至常温状态，重复步骤 9.6 b)9.6 h)。9.7 低温测试 低温测试步骤如下：a)见 9.5 a)9.5 b)；b)打开测试系统的低温恒温反应浴，调成制冷模式，设置所需达到的温度，一般反应浴温度设置为低于测试温度 20 以上，对低温恒温反应浴进行降温处理；c)密封测试系统，并对测试设备适当抽真空，同时向测试系统注入保护气体（氮气），避免结霜或者结冰现象；d)设置测试系统温度，开始降温，当温度达到设定温度值后，温度稳定至少 15 min；e)待温度稳定后，进行空腔校准测试，同 9.4 a)9.4 e)；f)设置测试系统至常温（25），开始升温，待加热至常温后，停止抽真空和保护气体的注入；g)将被测样品夹在两个半腔之间；h)重复步骤 9.7 c)9.7 d)；i)待温度稳定后，开始测试，测量加载样品时分离式圆柱腔的谐振频率和品质因数；j)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；k)测试不同温度的介电常数和介质损耗角正切，先将测试系统升温至常温状态，重复步骤 9.7b)9.7 j)。T/CSTM 009852023 8 10 计算 10.1 介电常数温度系数 介电常数温度系数按公式（1）计算。=()()()()10（1）10.2 介质损耗角正切温度系数 介质损耗角正切温度系数按公式（2）计算。=()()()()10（2）11 注意事项 注意事项如下：a)定期清洁夹具、标准物；b)定期清理法兰面，使用柔软的小毛刷轻拭法兰面表面，切勿按压擦拭。若被测样品如有颗粒粉末灰尘，需要在测试完毕后立即对法兰面进行清理；c)保持测试夹具内部环境干燥，可在清理法兰面后，关闭盖子放置干燥剂，若有条件的可再充入氮气（12）s；d)拆卸电缆、波导时，动作轻柔，使用专用工具拆卸；e)测试过程中应佩戴连接至设备的防静电手环；f)连接矢量网络分析仪电缆时，应使用制造供应商提供的力矩扳手旋紧；g)高/低温测试时，被测样品不能与法兰面发生反应。T/CSTM 009852023 9 12 试验报告 试验报告应包括但不限于以下内容：a)对于常温测试，试验报告应当包括下列内容：1)测试环境（温度、湿度）；2)测试频率；3)样品厚度；4)测试频率下的介电常数和介质损耗角正切值的测试值以及平均值；5)样品预处理条件；6)试验中异常情况或与规定程序的差异和偏差。b)对于高/低测试，试验报告应当包括下列内容：1)测试环境（温度、湿度）；2)测试频率；3)样品厚度；4)测试温度（T1、T2）；5)测试温度（T1、T2）下的介电常数 Dk(T1)、Dk(T2)和介质损耗角正切 Df(T1)、Df(T2)；6)介电常数温度系数 TCDk 和介质损耗角正切温度系数 TCDf 计算结果；7)介电常数和介质损耗角正切值随温度变化的曲线图；8)样品预处理条件；9)试验中的异常情况或与规定程序的差异和偏差。T/CSTM 009852023 10 附录 A （资料性）介电常数和介质损耗角正切计算 A.1 腔体参数测量 在复介电常数测量之前，由空腔的 TE01p和 TE01q（通常取 TE011、TE012或 TE013）谐振模式的测量确定空腔参数，例如 D、H=2M 和 r。其中，D 和 H 可由两个模式的实测谐振频率，并通过公式（A.1）和（A.2）计算得到：22012222pqcjqpDq fp f（A.1）22222qpcqpHff（A.2）式中：c真空中的光速，2.99792458 1011 mm/s；D腔体直径，mm；H腔体高度，mm；r导体电导率与标准铜电导率的比值；fpTE01p模式对应谐振频率，Hz；fqTE01q模式对应谐振频率，Hz；p,q场量沿纵向分布的半驻波个数；01j0 阶第一类贝塞尔函数导数的第 1 个根，其值约等于 3.83173，对应 TE01模。r 由测量值 D、H、f1、Quc 确定，关系式如公式（A.3）：23221013222000142222ucrDf QjHDcjH（A.3）式中：f1TE011模式的谐振频率，Hz；QucTE011模式的空载 Q 值；0标准铜的电导率，5.8 107 S/m；0真空磁导率，约等于 4 10-7 N A-2。T/CSTM 009852023 11 A.2 近似值ra的计算公式 近似值ra的计算见公式（A.4）和公式（A.5）：2222012ractXYtfM（A.4）220rYMkkjY（A.5）式中：X 公式（A.6）中方程的第一个根，可由 Y 值计算出来，满足公式（A.6）方程：tancot2tXXYYM（A.6）式中 002/kfc；01/rkjR，当 k0-kr0 时，Y 用 jY 代替。A.3 近似值 tana的计算公式 近似值 tana 的计算见公式（A.7）：asutanAR BQ（A.7）式中：Rs腔导体表面电阻率，由下式给出：0s0r(1/S),(S/m)fR（A.8）式中：和 导体的磁导率和电导率；A 和 B常数，由公式（A.9）和（A.10）给出：211eeWAW（A.9）cy1cy2ends1ePPPBRW（A.10）式中：W1e和 W2e储存在电介质板区域和空气区域中的电场能量；Pcy1、Pcy2和Pend电介质板区域和空气区域的圆柱壁上的导体损耗。这些参数由公式（A.11）、公式（A.12）、公式（A.13）、公式（A.14）和公式（A.15）给出：222210a001001sin2182eXWj JjtX （A.11）T/CSTM 009852023 12 22222200010012sin2cos142sineYXWj JjMYY （A.12）24cy1S001rsin2142XPR JjtRkX（A.13）224cy2S001r2sin2cos122sinYXPR JjMRkYY（A.14）2222end s010012cos2sinYXPR j JjMY（A.15）A.4 r和 tan的精确值 r和 tan 的精确值计算见公式（A.16）和公式（A.17）：1rrrara（A.16）Sutan1AAR BQA（A.17）式中：和 tan测量不确定度；和 tan被估计为均方误差，分别见公式（A.18）和公式（A.19）：22222ftDH （A.18）222(tan)tantanO （A.19）式中：f,，t,D和 H 由于 f0、t、D 和 H 的标准偏差而导致的 的不确定度；tan主要归因于 Qu和 r的测量误差；tan Q和 tan 由于它们的标准偏差造成 tan 的不确定性。图A.1 修正项/a 图A.2 修正项/A A 11010010-410-310-210-1a0.200.180.160.140.120.100.080.060.050.040.030.020.01t/D=0.005TE011模D/H=1.4/a0.000.040.080.120.160.200.000.010.020.030.040.05TE011模D/H=1.4A/At/D=12510T/CSTM 009852023 13 附录 B（资料性）测试系统连接框图 B.1 测试系统连接框图 分离式圆柱谐振腔法测试系统包含矢量网络分析仪、分离式圆柱谐振腔、温度控制仪、加热装置、低温恒温反应浴、真空泵等，测试系统连接框图如图 B.1 所示。Port1Port2微波电缆PCPC矢量网络分析仪转接头耦合装置腔体样品测试设备加热装置温度控制仪低温恒温反应浴保护气体真空泵 图B.1 测试系统连接框图 T/CSTM 009852023 14 B.2 测试样品安装 测试安装夹具示意图如图 B.2 所示。MMD=2Rt 图B.2 测试夹具安装示意图 标引顺序说明：1 谐振腔腔壁；2 上半腔体；3 被测介质试样；4 下半腔体；R 谐振腔半径；b 法兰半径；t 样品厚度；M 半腔长度。B.3 腔体尺寸 为保证测试精度，分离式圆柱谐振腔的工作模式选为 TE01n，其中 n=1,3,5,，对应的谐振频率与腔体尺寸的关系式见公式（B.1）。2201012njcnf TERH（B.1）推荐的腔体直径与高度比 D/H=1.4，具体的尺寸设计以 TE01n模式不受干扰模的影响为原则。T/CSTM 009852023 15 附录 C（资料性）起草单位和主要起草人 本文件起草单位：电子科技大学，工业和信息化电子第五研究所，中国测试技术研究院，成都恩驰微波科技有限公司，中国科学院深圳先进技术研究院，山东国瓷功能材料股份有限公司。本文件主要起草人：余承勇，何骁，李恩，高勇，李兴兴，高冲，张云鹏，郑虎，李灿平，贺光辉，于淑会，宋锡滨，肖美珍。T/CSTM 009852023 16 参 考 文 献 1 KENT G.,“Nondestructive permittivity measurement of substrates,”IEEE Trans.Instrum.Meas.,vol.45,pp.102-106,Feb.1996 2 KOBAYASHI Y.and NAKAYAMA A.,“Round Robin Test on a Cavity Resonance Method to Measure Complex Permittivity of Dielectric Plates at Microwave Frequency”IEEE Trans.Dielectrics and Electrical Insulation,vol 13.pp.751-759,August 2006.3 蔡惠华，低损耗平板材料在线检测系统D.电子科技大学，2015 _