是德科技材料浅谈谈介电测试原理，并提供介电常数和导磁率常用测试方案

时间： 2023-08-04 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎

技术问答

每一种材料都有其独特的特性。精确的材料测试特性能够为工程师和科研工作者能提供更有效，精确的材料测试信息，使得我们更了解应用的材料，更好地进行设计研究工作。举个简单的例子，电路板，PCB板都是由特定的材料，如果我们精确知道索要应用的材料的电磁特性，就可以预先评估电缆上的介质损耗；特性阻抗等信息，这些信息对于信号完整性来说是至关重要的。

不同类型的材料在电子/通信等领域的应用越发广泛，随之而来的对这些材料电磁性能参数的精确表征也是大家经常面对的介电常数测试需求。例如，随着一些新兴的入体式医疗设备以及可穿带设备的应用，对生物组织、相关液体以及食品类的材料测试提出了更深入的测试要求。

常规材料测试挑战

对于这一类材料（生物组织、液体、粉末以及半固体等），通常很难进行外形的精确加工，从而配合常规材料测试夹具进行介电特性的测试。所以采用什么样的测试方法在不影响材料本身物理特性的情况下完成特性表征，成了相关应用领域需要面对的主要问题。

介电特性是指物质分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它主要由相对介电常数εr'、相对介质损耗因数εr〃、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗等参数来表征。

油和水（纯净的水）都属绝缘体。但纯净的水的介电性能远远高于油。拿相对介电常数来讲，水的介电常数是81，而变压器油的在3-5之间。一些参考和有机电介质的典型 ε 值为：

介电材料:放在平板电容器中增加电容的材料。

电介质:在电场作用下能建立极化的物质。

感应电荷(束缚电荷):在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外电场时，在整机附近的介质表面感应出的负电荷，负极板附件的介质表面感应出的正电荷。

主要应用：
在生产收音机和其他电气设备中使用的电容器时使用材料。电路设计人员常用来比较不同的印刷电路板 (PCB) 材料。此外，还可用于开发储能应用的材料，例如，聚合物基介电复合材料非常适合从电子封装、嵌入式电容器到能量存储的应用。这些复合材料在加工温度低的情况下具有高度的柔韧性，并且它们表现出相对高的介电常数、低介电损耗和高介电强度。

是德科技和您谈谈介电测试原理。今天我们将介绍介电常数是什么意思? (介电常数英文Permittivity)并讨论介电常数和导磁率两种介电特性。必须注意，介电常数和导磁率不是恒定不变的。频率、温度、方向、混合、压力和材料分子结构等因素都可能对它们产生影响，使它们发生变化。此外，我们还介绍了材料介电常数和导磁率常用的六种测试方案。在文末还分享了材料测试的最新案例！

材料电磁特性测试

材料的电磁特性测试是电子通信应用中研究、设计以及生产中的关键环节. 或者说基础环节。材料的电磁特性直接影响了最终产品的性能的高低。材料的电磁特性的测试对于广大的电子工程师以及厂家都是非常重要的。而我们是德科技在材料测试这方面也拥有这诸多的解决方案。已经为客户推出了非常多的简单高效，精确的解决方案。那么今天我们就一起来看下我们的关于材料电磁特性测试的解决方案。

材料的主要一个应用是用来进行高速或者高频信号的传输，比如制作成微带线，微带线的特征阻抗就会直接影响信号的传输质量，而特征阻抗是和材料的介电常数直接相关的。另外像天线或者天线罩，材料的介电常数会决定其技术指标。

材料的介电常数会直接影响到微带传输线的特性阻抗，天线的性能以及天线罩的性能。

电子设备都有EMI测试要求，要求材料能够提供良好的屏蔽效能

监测海水净化过程中液体的介电常数变化，可以定量评估净化水质的好坏

医疗方面，通过人体软组织介电常数的变化可以判断出一个肿瘤是良性还是恶性

5G，新能源汽车以及汽车雷达等应用对介电常数等测试提出了更高的要求。这些领域技术的演进包括對介电常数、磁导率、导电率的需求。我们不仅需要准确地测量和分析材料的的介电常数和磁导率，还需要对低损耗材料，高频材料进行电磁特性分析（频率甚至高达 THz）。

5G，毫米波雷达，无线充电，食品等都是目前市场材料电磁特性研究的主要方向。客户需要测量RF和mmWave频率范围内材料的属性，以便为新兴应用设计模块，通常这类型的材料的客户不熟悉RF或uW / mmWave测量方法。国内5G主要颁布的频段是24.75-27.5GHz 37-42.5GHz，这些频段的大气损耗相对低，适用于长距离通信。为了满足日益增长的数据传输的需求，大带宽，高级调制和MIMO技术都将应用于5G通信。汽车雷达主要应用频率是 24 GHz和 77 GHz，信号带宽高达 4 GHz，对于中短程的 24 GHz雷达主要用于自动泊车，盲点监控，而77 GHz 的远程雷达则应用于智能驾驶，对材料的各项指标有着严苛的要求。

是德科技材料介电常数和导磁率常用测试方案

是德科技可以提供用于材料介电特性/磁导率测量的全套解决方案，包括介电常数测试仪表、夹具及测量分析软件。介电常数测试主要方法有传输线法、自由空间法、谐振腔法、同轴探针、弓形反射法和平行板法等。

一、同轴探针法

对于以上提到的这类特殊材料，是德科技的同轴探针法是专门针对表面光滑的块状固体材料、液体材料、粉末及生物组织等半固体材料的介电特性参数测试而设计。

同轴探针法利用开路式的同轴探头，将其浸入到液体、生物组织或者接触光滑固体平面，将高频信号通过探头入射到被测材料，此时探头接收到的由被测材料反射的信号（反射特性S11）将会因为材料的介电常数而发生变化，如下图1所示。利用这种对应关系，通过网络分析仪测得S11就可以计算出被测材料的介电常数与损耗角正切等参数。

同轴探针法的基本原理

•同轴探头是传输线截断后的一部分。通过将探头浸入液体或用其接触固体(或粉末)材料的平坦表面，对材料进行测量。

•探头上的场将“边缘”送入材料中，随着它们与被测材料的接触而缓慢发生变化。

•反射信号(S11)可以通过测量得到，它与εr有关。

同轴探针法主要有三种，如下图2所示，分别是高温探头（能够在–40°C至+200°C的范围内测试材料的介电特性）、高性能探头（频率范围高达50GHz）和纤细探头（可用于方便插入材料内部的情况使用）。其中高温探头如果配合阻抗分析仪E4991B，低频可以拓展到10MHz。

同轴探针法的主要特性如下：

频率范围：200MHz~50GHz（搭配网络分析仪），10MHz-3GHz（搭配阻抗仪）；
测试参数：介电常数；
参考精度： ’:±5%，tanδ：±0.05 ；
样品要求：表面平整的固体，液体或者粉末材料。

同轴探针法的种类包括高温探头，高性能探头和细长探头。

对表面平整的固体、液体以及半固体材料的介电特性测试，我们推荐使用同轴探头法：

同轴探头法具有很宽的频率测试范围；

易于使用，只需压在固体材料表面或浸没在液体中即可；

对被测材料无破坏。

当然，该方法对被测材料厚度有一定的要求，不合适介电损耗tanδ太小的材料，且不能测试磁性材料。

二、平行板法（三端子法）测试介电特性

平行板电容法将被测材料置于平行板电极之间，形成一个电容器，通过测试电容值计算出介电常数。应用该方法的典型测量系统由LCR表或阻抗分析仪构成。该方法最适合对薄膜或液体进行精确的低频测量。

图4 显示了平行板法的概图。平行板法在ASTM D150 标准中又称为三端子法，其原理是通过在两个电极之间插入一个材料或液体薄片组成一个电容器， (注: 在本文以下部分中，被测材料无论是固体还是液体均用 MUT 表示。) 然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。在实际测试装置中，两个电极配备在夹持介电材料的测试夹具上。阻抗测量仪器将测量电容 (C) 和耗散 (D) 的矢量分量，然后由软件程序计算出介电常数和损耗角正切。

图 5 显示了实际测量中的电场流动。当简单地测量两个电极之间的介电材料时，在电极边缘会产生杂散电容或边缘电容，从而使得测得的介电材料电容值比实际值大。边缘电容会导致电流流经介电材料和边缘电容器，从而产生测量误差。使用保护电极，可以消除边缘电容所导致的测量误差。保护电极会吸收边缘的电场，所以在电极之间测得的电容只是由流经介电材料的电流形成，这样便可以获得准确的测量结果。当结合使用主电极和保护电极时，主电极称为被保护电极 (guarded electrode)。

1、对材料要求：表面光滑且均匀薄片或者薄膜，不同夹具对厚度和直径有要求;
2、覆盖频率：1MHz至1GHz;
3、测试主机：KEYSIGHT E4991B、E4991A、E4980A/AL;
4、Keysight测试软件：N1500A-005;
5、夹具：16451B、16453A，液体材料使用16452A;
6、优点：适合平板材料、薄膜材料、价格经济、精度高可达±1%;
7、缺点：测试频率低、对材料尺寸要求高，不支持测试磁导率;

谐振腔法测试介电特性

谐振腔测试法使用网络分析仪来测量谐振频率和谐振腔体夹具的Q值，在测试开始时是空白设置，随后加载被测样品。当已知样品的体积和谐振腔的其他参数时，通过这些测量来计算介电常数。

谐振腔体有比较高的Q值，可在特定频率上发生谐振。将一片材料样品插入到腔体中，会改变腔体的谐振频率(f)和品质因数(Q)。根据这些测得的参数，可以计算出材料在某一频率上的复数介电常数。典型的测量系统由网络分析仪、谐振腔体夹具以及计算软件组成。

1、对材料要求：样品切条，平坦薄片，厚度约0.05mm~5mm，典型值为1mm;
2、覆盖频率：1GHz至15GHz，一个谐振腔对应一个频点;
3、测试主机：Keysight 全系列网分（除N9912A）;
4、Keysight测试软件：N1500A-003;
5、夹具：谐振腔，如Keysight 85072A、QWED谐振腔等;
6、优点：精度高达±1%，对样品尺寸加工要求不高，非常适合低损材料测试;
7、缺点：不支持宽带测试，单个谐振腔可测频率窄，分析比较复杂;

分离介质谐振腔法方案

电感测量法测试磁导率

该方法仅针对磁性材料测试磁导率，是通过测量材料(环形磁芯)的电感来推导出磁导率。

测量非常简单，无需在磁芯周围缠绕线圈

提供两种夹具装配件，以适应不同的MUT尺寸

具体操作: 在MUT上缠绕若干条导线，并测量导线两端的电感。Keysight 16454A 磁性材料测试夹具可为单匝电感器提供理想结构，在插入环形磁芯时不会出现磁漏。

1、对材料要求：环形磁芯结构;
2、覆盖频率：1 kHz 至 1 GHz;
3、测试主机：Keysight E4990A、E4980A/AL;
4、测试软件：N1500A-006;
5、夹具：16454A;
6、谐振腔法优点：精度高可达±1%、操作简单;
7、谐振腔法缺点：测试频率低、仅测试磁导率;

传输线法原理

传输线法需要将材料置于一部分封闭的传输线内部。线路通常是一段矩形波导或同轴空气线。

介电常数和磁导率根据反射信号(S11)和发射信号(S21)的测量结果计算得出。

自由空间法

自由空间法使用天线将微波能量聚焦在或穿透过材料厚板或薄板。这种方法不需要接触材料，适用于在高温和恶劣环境中对材料进行测试。下图显示了两种典型的自由空间测量装置: S参数配置(上方)和NRL弧形框(下方)。

材料测试新方案自由空间法测试案例

汽车天线罩材料特性测试系统 - 测试汽车雷达天线罩的介电常数数值

如果你想做77GHz频段汽车雷达的材料介电特性测试，自由空间法会是一种比较合适的宽频段测试方法。这套系统是Keysight的毫米波网络分析仪N5290A，覆盖频率范围是900Hz-110GHz，配合W波段75GHz-110GHz的同轴波导喇叭天线，以及准光学的测试平台搭建而成。

在N1500A软件自由空间法的使用界面，你可以进行参数设置，校准，最终可以测试得到如图所示的汽车雷达天线罩的介电常数数值。

这是自由空间法的扩展，通过专用的夹具将波导传输线和自由空间法结合起来，从而实现从45GHz-1.1THz频段的介电常数测试。

相对于自由空间法来说，该方法使用比较简单。比如拿W波段75GHz-110GHz举例来说，可以采用PNA或者PNA-X网络分析仪，然后配置两个W波段扩频模块，做直连方式的毫米波扩展；最后配合N1500A软件和专用的侧测试夹具就可以实现W波段材料介电常数测试。

该方法对样品的要求也非常容易实现，秩序需要被测样品是平行板即可，尺寸比波导口稍大就可以。

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