system: [SYSTEM]

user: 3. 谐振法 谐振法是将样品作为谐振结构的一部分来测量介电常数的方法，可以分别分为微扰法、准光腔谐振腔法、介质谐振腔法、带状线谐振腔法等。 3.1. 谐振腔微扰法 在谐振腔微扰法中，将样品插入谐振器中，样品的性能由样品引起的谐振频率以及谐振器的品质因数的变化计算得到。即待测样品被引入一个谐振器中，样品的电磁特性可以从谐振频率以及谐振器品质因数的变化中推导出来。1963年，I. Bady [ 23 ] 最早使用谐振腔微扰法进行测试，建立了一套X波段、室温−250℃的测试系统。1989年，Hutcheon R. M. [ 24 ] 利用TM0n0圆柱型谐振腔进行室温−1000℃的复介电常数的测试，研制了两套变温测试系统，这两种测试系统运用一腔多模技术可以完成对杆状样品，在50 MHz~600 MHz范围和400 MHz~3 GHz的宽频带下的测试技术。1995年Binshen Meng [ 25 ] 利用改进的圆柱谐振腔微扰法在2 GHz~20 GHz的范围内对样品进行了变温测试，该方法采取加热温度是用紧贴在腔体上下表面的电阻换对腔体进行加热，温度范围20℃~1000℃。1996年，Shane M. Bringhurst [ 26 ] 运用集总电容和环形天线衍射两种模式，结合同轴谐振腔微扰法，通过改进金属化氧化铝陶瓷探头，最终实现频段范围500 MHz~3 GHz，温度范围室温−800摄氏度的介电常数测试，最后进行误差分析和新的FDTD知识实现对薄膜样品的测试。 2007年，曹茂盛 [ 27 ] 采用谐振腔技术测量了低损耗介质材料的介电常数和损耗角正切，在利用谐振腔的技术下，精确的测量了9~10 GHz材料的介电性能，温度范围为室温−800℃，同时创造性的通过误差分析和实验标定，解决了关于高温测量过程中的热膨胀效应引起的误差。2010年Antoni J. Canos [ 28 ] 发表了圆柱谐振腔TM010模微扰法对材料进行变温测试，是一种快速测定高温介质介电特性的方法，采用直接用微波对样品进行加热的方式进行，同时也实现同时测量，通过放大器增加矢量网络分析仪的源信号，加热温度450℃，并用红外温度计进行测温，但是在该篇文章中没有给出测量的频率范围。2015年，José M. Catalá-Civera [ 29 ] 研制了一种微波腔体和加热系统，可以动态测量介电材料在室温−1000℃的复介电常数，该方法是基于双模式圆柱型腔，其中由两个不同的扫频微波源进行加热和测试。用改进的谐振腔微扰法计算了材料在加热过程中的介电特性，并且得到测试误差小于5%。 3.2. 准光学谐振腔法 准光学谐振腔法是由不同曲率半径的凹球面镜构成，属于开放式谐振腔，是光学谐振结构在微波、毫米波频段的延伸，谐振频率较高，主要适用于毫米波频段的介质参数的测试。 2006年，冯丽萍，韦高 [ 30 ] 等采用球面/平面型准光腔进行了Ka波段复介电常数的点频变温测试，用特制的碳硅管对平面镜进行加热，加热温度可达1000℃以上，文中给出了最高达600℃的测试结果。 由于准光腔是开放式结构，用该方法加热时，样品上下表面温度差别较大，热电偶测试的平面镜温度无法反映样品的真实温度。2012年，聂瑞星 [ 31 ] 采用半对称准光腔的结构作为测试夹具，选取适合宽频20~40 GHz的谐振腔尺寸，结合腔长和扫频测试的优点，运用谐振腔的TEM 00q 模式，同时改进同轴耦合环的耦合方式，通过调节耦合环的伸入长度来控制耦合量的大小，选用感应加热的方式实现室温−1000℃的测试范围。 3.3. 介质谐振腔 介质谐振腔法被广泛的应用于低损耗介电常数的测试描述，一般包括球形介质谐振器、圆柱形谐振器、环形谐振器以及矩形谐振器等。对于材料介电性能的表征，需要研究介电材料的结构，并设计金属屏蔽结构，对于不同的介质谐振器方法，有不同结构的金属屏蔽结构和介质样品，并采用不同的算法对材料的性能进行计算。主要是将高介电、低损耗的待测样品制备成一圆柱形微波谐振器，根据相应谐振模式的谐振频率、品质因数计算出对应的复介电常数。2004年，黎义 [ 32 ] ，李建保等根据H01n模可加热圆柱谐振腔磁场分量以及电场分量的特性，利用谐振腔中活塞的滑动接触不损害谐振器的质量因素的谐振腔法，实现了对于介电常数不大于200和介电损耗正切不大于0.05的固体电介质在室温−1200℃以及9~10 GHz频率范围内的磁导率值的测量，并对影响电介质高温介电性能测试精度的设备因素、计算方法和实验结果的应用等进行了分析和讨论。2002年，Geyer RG [ 33 ] 利用套管谐振器对介质材料进行室温−150℃的变温测试，该方法中套管的损耗和金属表面电阻对介质损耗测试有影响，文章中认为当被测样品为高介电常数材料，此时其电磁能量主要集中于被测样品时，同时确定了整个测试过程中的不确定度，主要来源于套管损耗和无载品质因数的不确定度作为测试误差考虑的另一方面，该文章中指出，可以利用高次模式在其他频率进行测量。 3.4. 传输线谐振腔 传输线谐振器法是将待测样品作为微带线、带状线等传输线的介质基片，做成微波传输线谐振器，见图5所述，根据谐振器的谐振频率和品质因数即可以计算出材料的复介电常数。传输线谐振法适合于测试薄的电路介质基片材料。 2004年，J.-M. Heinola [ 34 ] 将待测样品做成环形微带线谐振器的基片，该方法是基于微带环形谐振器和气氛保护装置，该方法可以测试在1 GHz~10 GHz，−30℃~105℃环境下的不同层状材料的频率特性。 图5. 带状线谐振腔电磁参数测试示意图 Table 1 Summary of different measurement method 方法类型 短路反射法 开路反射法 自由空间法 传输/反射法 谐振腔 频率范围 0.1~40 GHz 0.1~40 GHz 频带更宽 00.1~40 GHz 多频点 测量范围 中、高损耗 中、高损耗 中、高损耗 中、高损耗 低损耗 计算难度 低 高 中 中 易 样品制备 较难 容易 容易 较难 较难 测量精度 中等 低 中等 中等 高 特点 工作量大 精度低 样品形状多样 无损测试 通用性强 非接触性 非破坏性 有损测量 样品形状多样 有损测试 造价高 设计复杂 表1. 不同方法优缺点表示 国内，2007~2011年，电子科技大学李恩、郭高凤 [ 35 ] 、周扬 [ 36 ] 等采用带状线谐振器方法，进行不断改进测试，通过建立变温测试非等横截面腔体的物理模型，推导出带状线谐振腔材料复介电性能变温测试理论，最终组件了一套测试频率为0.5~18 GHz，温度范围室温−1500℃的测试装置。 3.5. 其他谐振腔法 高Q腔法采用圆柱形腔的TE 01n 模，向腔体内置入圆盘形介质样品，有两种测试方法。一种是通过测试在放置样品之前与放置样品之后，固定谐振拼情况下腔体长度变化或者固定腔体尺寸来观测谐振频率的变化，以此来完成复电磁参数的测试。美国NIST建立了利用高Q谐振腔法进行复介电常数的测试标准。该测试方法电场极化方向是在测试样品平面上 [ 37 ] 。另外一种是固定腔体的谐振频率，通过测量加载样品前后腔体长度和品质因数的变化计算复介电常数 [ 38 ] 。 2001年，Roussy G采用多模螺旋传输线谐振腔对 [ 39 ] 材料复介电常数宽带变温测试的方法进行了研究，频率从2~9 GHz，温度高达800℃，测量过程中，先将待测样品先放入石英管中加热，到达测试温度点后快速放入螺旋线谐振腔中测量。被测样品体积小于1 cm 3 。待测样品形式多样化，即可以是固体、液体也可以粉状样品。该方法采用六个标准液体样品的测试对公式进行了修正。 3.6. 测量方法总结 对于不同测量方法之间优缺点见表1。