微波陶瓷介電性能自動測試系統設計

摘 要：開路型微波陶瓷材料介電性能自動測試系統的設計包括系統的測試原理、系統硬件和軟件組成。利用操作界面友好的自動測試程序，可在程序面板上控制網絡分析儀，實現測試數據的實時采集、分析計算與顯示存儲，從而提高測試效率與精度。實測表明，利用該系統能對高介電常數、低損耗的微波陶瓷材料復介電常數進行快速、準確、無損的自動測試。

關鍵詞：介電性能；介質諧振器；VEE；自動測試

中圖分類號：TP29，TN99 文獻標識碼：B 文章編號：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

微波陶瓷是指應用于微波電路中作為介質材料完成一種或多種功能的陶瓷，是一種經濟型電子元器件材料。評價微波陶瓷在微波頻段介電性能的參數主要有：相對介電常數εr′（以下簡稱介電常數）、介質損耗tan δ、諧振頻率溫度系數τf。這些參數的準確測試是研究材料微波特性和設計電子器件的重要環節之一，一般采用的測試方法是短路型介質諧振器法^［1，2］，但對于高介電常數和低損耗材料，由于介質樣品端面與兩金屬導電板直接接觸，傳導損耗較大，使得低tan δ陶瓷材料測試引入較大的誤差。為提高測試效率與精度，采用開路型介質諧振器方法，在硬件基礎上開發自動測試軟件，構建開路型微波介質陶瓷材料的自動測試系統。

1 理論分析

在短路型平行板介質諧振器的基礎上，把樣品與金屬板拉開一定的距離，減少直接接觸的影響，形成開路型的系統結構見圖1。

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

圖1 開路型平行板介質諧振器對于樣品的Q值，諧振時，大部分能量儲存在樣品中，一般直接把介質的Qd當作樣品的Q值^［5］，但這種做法對于低損耗的材料會引入一定的誤差。為準確測出樣品的Q值(Q.－1=tan δ)，把傳導損耗也考慮進來，采用Kajfez等提出的方法^［6，7］，結合微擾理論可得： Qcu=f0－Δf0ΔL1δc

1Qc=2Qcu（2） 在式（1）中：δc是導體的趨膚深度；Qc是表征總的傳導損耗的Q值。系統結構對稱，認為上下金屬板損耗相等。

從介質Q因素定義出發，應用微擾法，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聯合，可得到諧振器材料的損耗角正切tan δ。

2 自動測試系統

2.1 硬件系統

開路型介電參數自動測試系統硬件主要由幾部分組成：Agilent網絡分析儀(VNA)^［8］，GPIB to USB接口卡、計算機和測試夾具等。系統連接示意見圖2。

圖2 自動測試系統示意圖矢量網絡分析儀是具有測量雙端口網絡反射和傳輸特性等功能的射頻微波儀器。實驗中通過測量S21傳輸參數，經過一系列的數據處理，達到測試微波介質陶瓷介電性能的目的。

GPIB接口卡是計算機USB接口與網絡分析儀GPIB接口之間的轉接卡，通過編程，建立計算機與網絡分析儀之間數據通信，是實現自動化測試一個重要環節。

開路型平行板測試夾具主要由兩塊拋光鍍銀處理過的圓形金屬板組成，以提高平行板介質諧振腔Q值，提高測試精度。為方便樣品的放置與精確測試，夾具上安裝有可以上升和下降的測微螺旋。設計2個對稱的半剛性同軸電纜與樣品距離調節的三維耦合環定位裝置，方便同軸耦合電纜的高度定位和進行耦合量調節，促使其有效地激勵特定的工作模式。

測試中使用圓柱形介質諧振器，樣品厚度L一般大于3 mm，大于半剛性電纜的直徑，為保證樣品能激勵起TE01δ模，根據平行板介質諧振腔的模式圖，應避免TE01δ諧振峰的重疊及諧振處于泄漏態，對于平行板開路型介質諧振器，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

系統的自動測試程序在Agilent VEE圖形化編程環境下進行編寫^［9］，能夠實時采集測試數據并分析計算與存儲。通過監視與控制矢量網絡分析儀，方便了測試人員操作，提高了測試效率。用VEE圖形化控件架構程序，整體程序流程見圖3。

圖3 程序流程圖程序用到的幾個模塊有：儀器控制、頻率掃描、數據采集、計算處理、曲線獲取、數據存儲與打印模塊等（篇幅有限，不一一介紹）。當網絡分析儀通過GPIB接口卡與計算機連接后，可進一步實現兩者的數據通信。首先通過儀器管理對話框(Instrument Manager)找到測試儀器原驅動器，并添加相應儀器設備，表示儀器的功能控件已進入開發環境，可以進行程序控制與數據通信。接著通過調試控制儀器與設備初始化模塊，判斷數據通信是否正常，同時對網絡分析儀的工作參數進行初始化設置，比如：掃描功率，掃描的數據點數，顯示曲線的選擇和曲線的平均點數等。

計算處理程序部分(見圖4)接收采集到的測試參數和測試人員從程序界面輸入的介電陶瓷樣品的尺寸參數，調用Matlab腳本程序，利用相關公式進行求解(包括貝塞爾函數等)。計算得到的結果有相對介電常數，損耗角正切等。

最后是Excel數據表文檔處理，程序進入表格初始化部分，首先要創建和宣告幾個應用到的全局變量，存放到UserFunction控件中，接著用Call命令調用全局變量。啟動Excel程序，并創建一新的空白表格，指定數據存放在sheet1，在當前窗口下顯示Excel數據文檔，自動在表格第一行填寫設定的表頭值，并命名窗口標題。

為操作方便，設計友好的運行界面。在測試過程中程序界面圖(見圖5)。程序總體操作流程為：運行測試程序，點擊Start按鈕，開始進入網絡分析儀的初始化，程序自動生成MS Excel文檔Test_result.xls，同時打開數據記錄表格，并設置表格的框架、數據填寫格式等，接著程序彈出對話框提示開始輸入樣品尺寸等，并自動填入表格文檔，估算初始頻率，進入自動搜索過程，把找到TE01δ模諧振峰值信息記錄下來，對數據進行分析計算，填入表格，同時在電腦屏幕測試面板界面上顯示測試的相關數據，把諧振峰圖形數據也采集顯示到面板上，操作人員可直接觀察諧振峰是否對稱等。接著詢問是否繼續下一個測試，測試完后，可以進行數據文件的存儲、打印。

圖4 計算處理VEE程序圖 圖5 程序操作界面

3 測試結果與比較

利用自動測試系統，測試過程中調節兩耦合環與介質樣品的相對位置，盡量使得TE01δ模諧振峰對稱。同時使兩耦合環與介質樣品之間的耦合量適當。通過標定平行金屬板導電率，測得幾組數據并與開路型方式比較如表1所示。

表1 測試結果比較

樣

品開路型方式測試短路型方式測試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*表示數據為電子科大測試結果

從表上數據可以看出，使用開路型介質諧振器法測試時，上下金屬平行板沒有與介質樣品直接接觸，因而傳導損耗小，對介質損耗測試所造成的干擾最小，所測試的無載Qu值就有可能最接近真值。說明開路型方式所測的介質損耗角正切值更加準確。此外，開路法測試的頻率值比短路型方式較小，兩種方法所得到εr′的值有一點差別，但基本吻合。

對某樣品進行多次測量，結果見表2。其中，εr′=108.01，tan δ=80.68×10.-5。則εr′和tan δ的相對誤差分別為：Δεr′εr′≤0.01 %，Δtan δtan δ≤0.23 %。由此可見，測試結果有很好的重復性。

表2 單樣品五次測試結果

次數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 語

在VEE開發環境中，通過內嵌Matlab實現圖形化測試程序，實現對矢量網絡分析儀的控制及測試數據的讀取、分析計算與存儲。實際的使用證明，自動測試系統提高了測試效率，使得微波介質陶瓷材料介電參數測試變得簡單、直觀，測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用性。對生產和研制使用微波介質諧振器起到一定的促進作用。

參 考 文 獻

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［8］Agilent Technologies.PNA Series E8362B Network Analyzer Help.2004.

［9］Agilent Technologies. Agilent VEE Pro 6.0 Help.2000.

作者簡介 陳賜海 男，1973年出生，福建漳州人，碩士，講師。研究方向為射頻微波理論與應用、微波測量、應用電子技術等。

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