在介电常数的测试中,常用的方法包括平行板电容法、射频谐振法、传输测试法以及谐振测试法、自由空间法或时域反射法等。这些方法各有特点,适用于不同频率范围和材料类型的介电常数测量。
平行板电容法是常用的测量介电常数的方法之一。该方法通过构建两个平行金属板,并在其间填充待测介质,通过测量不同电场强度下的电容值,进而求得介电常数。这种方法具有测量范围广泛、操作简便等优点,适用于0.01Hz至10MHz范围内的频率。射频谐振法则是一种通过测量电容在射频范围内的谐振频率来确定介电常数的方法。该方法利用谐振现象,通过改变频率扫描,当电容达到谐振频率时,电流达到峰值。然后,利用电感和电容的数值进行计算,得出介电常数。这种方法适用于1MHz至1GHz范围内的频率,具有较高的测量精度。
传输测试法和谐振测试法也是介电常数检测机构常用的测试方法。传输测试法将待测介质置于双端口网络分析仪或单端口网络分析仪中,通过测试网络的电磁参数来计算介电常数,通常在100 MHz到10 GHz之间。而谐振测试法则需要先构造出一个谐振结构(谐振腔),然后对其进行测试以得出介电常数值,频率通常在50MHz~110GHz。
实验系统组成-核心设备:
(1)矢量网络分析仪:测量S参数(如S21幅值),获取谐振频率和Q值。
(2)矩形/圆柱形谐振腔:常用TE01δ模腔体,工作频率覆盖1GHz~20GHz,腔体材质为低损耗金属(如铜镀银)。
(3)耦合探针:调节探针深度使谐振峰幅值处于-40dB~-50dB(空腔)或-25dB~-50dB(加载样品)。
自由空间法或时域反射法,通过测量电磁波在自由空间与材料中传播特性的差异(如幅度、相位变化)计算介电常数(εᵣ)和介电损耗角正切(tanδ)。其核心公式基于斯涅尔定律(Snell's Law)和电磁波反射/透射理论,通过矢量网络分析仪获取传输系数(S21)和反射系数(S11),结合材料几何尺寸与入射角反推电磁参数,频率通常在超高频110GHz~1.7THz。
太赫兹时域光谱法(TDS) 原理:基于飞秒激光器产生THz脉冲,通过测量透射/反射脉冲的时域波形和频域谱,结合Nelder-Mead算法提取介电参数,频率范围:0.6~5 THz(常规),可扩展至8 THz(需傅里叶变换红外光谱仪辅助)。