实验报告
课程名称：材料科学与工程基础实验 指导老师： 李雷 成绩：__________________ 实验名称： 介电材料电学性能 实验类型： 同组学生姓名： 13组 一、实验目的和要求（必填） 三、主要仪器设备（必填） 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得
二、实验内容和原理（必填） 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析（必填）
一、 实验目的
1、 了解低损耗介电材料在微波通讯技术中的应用； 2、 了解介质谐振法的测试原理；
3、 掌握利用介质谐振法测试低损耗材料微波介电性能的技术。
二、 实验原理
微波指频率介于300MHz和300GHz之间的电磁波，在通讯领域有着非常广泛的应用。而微波介质材料指适用于微波频段的低损耗（通常在10数量级以下）、温度稳定型电介质材料（通常为陶瓷材料），被广泛应用于微波介质谐振器、振荡器、滤波器、双工器、微波电容器及微波基板等，是移动通讯、卫星通讯、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网（WLAN）等现代微波通讯技术的关键材料之一。
对于工作于较低频率下的介电材料，一般用介电常数ℇr、介电损耗tanδ及介电性能的温度依赖性表征其介电性能。而对工作于微波频段的损耗介质材料，相对应的三个基本参数及其要求则为：合适的介电常数ℇr、高Qf值及近零谐振频率温度系数τf。其中。当微波介质材料作为谐振单元使用时，应具有较高的介电常数，以满足器件小型化的需要；而当其作为微波基板使用时，由于微波在基板中传播的速
-3
度为了减小微波电路中的延迟，介质材料应具有尽可能低的介电常数ℇr。
Qf值定义为品质因子Q（介电损耗tanδ的倒数）与频率的f的乘积，单位为GHz。高Qf值对应微波介质材料作为谐振单元使用时的良好频率选择性及作为微波基板使用时的低信号衰减。一般认为，低损耗材料在微波频段的Qf值为不随频率变化的常数。低损耗微波介质材料作为谐振单元使用时，其谐振频率f0通常随温度线性变化，故用谐振频率温度系数τ
定义为f表征其温度稳定性，
单位为ppm/
其中T2和T1表示两个测试温度。本实验课中只涉及介电常数ℇr及Qf值的测试。
在测试频率较低、试样尺寸远小于电磁波波长时（如1MHz以下），可以把片状介质材料两端面镀上金属电极、构成平板电容器，直接用LCR仪或阻抗分析仪测试其介电性能。但当频率升至微波频段时，试样尺寸已可与电磁波波长相比拟，以上方法不再适用。
对于低损耗介质材料，其微波介电性能需用网络分析仪及介质谐振法进行测试。网络分析仪通常有两个端口，均可发射和接受微波信号，其测试参数为S参数，定义为接收与发射信号电压的比值，为模在0-1间的复数。S参数常用对数形式表示，定义为20loge∣S∣，取值在-∞ ~0之间，单位为dB。由S参数的定义知：两端口网络分析仪中共有四个S参数：S11，S21，S12，S22，其中第一、二个下标分别表示接收及发射端口。圆柱形金属空腔即为最简单的微波谐振器，其谐振频率f0及品质因子Qu由空腔的尺寸及金属内壁的表面电导率决定。用低损耗介质材料部分填充金属腔，即构成介质谐振器，其谐振频率f0及品质因子Qu由试样的尺寸、介电性能（ℇr、Qf值）及金属腔的性质（尺寸及表面电导率）共同决定。因此，通过测试介质谐振器谢振峰的性质（谐振频率f0及品质因子Qu），即可通过数值方法求解出待测试样的ℇr及Qf值。
三、测试步骤
1）将试样尺寸及估计的介电常数输入至程序，计算介质谐振器大致的谐振频率范围。
2）在估计的频率范围内找到谐振峰（对应于S21）参数的最大值。
3）将谐振频率处的S21参数调至-40dB以下，记录谐振频率f0及3dB带宽△f。
计算品质因子Qu=f0/△f及Qfu=Qu* f0。注意此处的Qfu对应于介质谐振器的Qf值（包括试样及金属腔两部分的贡献），而非试样的Qf值。
4）将试样尺寸、f0及Qfu输入至程序，计算试样的ℇr及Qf值。
四、实验数据记录和处理
5号试样
尺寸：D=9.98mm，H=5.62mm，ℇr估计值=45；
由程序一计算得到，谐振器大致的谐振频率为4.6978GHz； 在实验仪器中输入参数：
START:4.0GHz，STOP：5.0GHz，MAKER CENTER,SPAN：20MHz； 调解两侧旋钮S11,S22，使S21的谐振频率低于-40dB以下； 记录仪器窗口数据：
f0：4.716248GHz，BW：569.4KHz，CENTER：4.7162GHz，Q：8406.9，Loss：-58.387； 由程序二计算，得： ℇr=44.64，Qf=5.0*104
五、误差分析
1）仪器自身存在一定的误差
2）将谐振频率处的S21参数调至-40dB以下时，由于每个人调节时会由于操作上的原因，给实验结果带来一定的误差
3）进行数据处理时，对实验结果时也会给结果带来微小的误差
七、实验心得
对于介电材料，由于自身知识的局限性，加上实验之前对实验内容的预习还不够到位，因此理解起来比较困难，因此在之后的实验过程中，应更加注重对实验预习的把握。在这次实验中，操作并不困难，而且还有老师在旁边的指导，但我们应该更加注重对实验原理的理解。
实验报告
课程名称：材料科学与工程基础实验 指导老师： 李雷 成绩：__________________ 实验名称： 介电材料电学性能 实验类型： 同组学生姓名： 13组 一、实验目的和要求（必填） 三、主要仪器设备（必填） 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得
二、实验内容和原理（必填） 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析（必填）
一、 实验目的
1、 了解低损耗介电材料在微波通讯技术中的应用； 2、 了解介质谐振法的测试原理；
3、 掌握利用介质谐振法测试低损耗材料微波介电性能的技术。
二、 实验原理
微波指频率介于300MHz和300GHz之间的电磁波，在通讯领域有着非常广泛的应用。而微波介质材料指适用于微波频段的低损耗（通常在10数量级以下）、温度稳定型电介质材料（通常为陶瓷材料），被广泛应用于微波介质谐振器、振荡器、滤波器、双工器、微波电容器及微波基板等，是移动通讯、卫星通讯、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网（WLAN）等现代微波通讯技术的关键材料之一。
对于工作于较低频率下的介电材料，一般用介电常数ℇr、介电损耗tanδ及介电性能的温度依赖性表征其介电性能。而对工作于微波频段的损耗介质材料，相对应的三个基本参数及其要求则为：合适的介电常数ℇr、高Qf值及近零谐振频率温度系数τf。其中。当微波介质材料作为谐振单元使用时，应具有较高的介电常数，以满足器件小型化的需要；而当其作为微波基板使用时，由于微波在基板中传播的速
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度为了减小微波电路中的延迟，介质材料应具有尽可能低的介电常数ℇr。
Qf值定义为品质因子Q（介电损耗tanδ的倒数）与频率的f的乘积，单位为GHz。高Qf值对应微波介质材料作为谐振单元使用时的良好频率选择性及作为微波基板使用时的低信号衰减。一般认为，低损耗材料在微波频段的Qf值为不随频率变化的常数。低损耗微波介质材料作为谐振单元使用时，其谐振频率f0通常随温度线性变化，故用谐振频率温度系数τ
定义为f表征其温度稳定性，
单位为ppm/
其中T2和T1表示两个测试温度。本实验课中只涉及介电常数ℇr及Qf值的测试。
在测试频率较低、试样尺寸远小于电磁波波长时（如1MHz以下），可以把片状介质材料两端面镀上金属电极、构成平板电容器，直接用LCR仪或阻抗分析仪测试其介电性能。但当频率升至微波频段时，试样尺寸已可与电磁波波长相比拟，以上方法不再适用。
对于低损耗介质材料，其微波介电性能需用网络分析仪及介质谐振法进行测试。网络分析仪通常有两个端口，均可发射和接受微波信号，其测试参数为S参数，定义为接收与发射信号电压的比值，为模在0-1间的复数。S参数常用对数形式表示，定义为20loge∣S∣，取值在-∞ ~0之间，单位为dB。由S参数的定义知：两端口网络分析仪中共有四个S参数：S11，S21，S12，S22，其中第一、二个下标分别表示接收及发射端口。圆柱形金属空腔即为最简单的微波谐振器，其谐振频率f0及品质因子Qu由空腔的尺寸及金属内壁的表面电导率决定。用低损耗介质材料部分填充金属腔，即构成介质谐振器，其谐振频率f0及品质因子Qu由试样的尺寸、介电性能（ℇr、Qf值）及金属腔的性质（尺寸及表面电导率）共同决定。因此，通过测试介质谐振器谢振峰的性质（谐振频率f0及品质因子Qu），即可通过数值方法求解出待测试样的ℇr及Qf值。
三、测试步骤
1）将试样尺寸及估计的介电常数输入至程序，计算介质谐振器大致的谐振频率范围。
2）在估计的频率范围内找到谐振峰（对应于S21）参数的最大值。
3）将谐振频率处的S21参数调至-40dB以下，记录谐振频率f0及3dB带宽△f。
计算品质因子Qu=f0/△f及Qfu=Qu* f0。注意此处的Qfu对应于介质谐振器的Qf值（包括试样及金属腔两部分的贡献），而非试样的Qf值。
4）将试样尺寸、f0及Qfu输入至程序，计算试样的ℇr及Qf值。
四、实验数据记录和处理
5号试样
尺寸：D=9.98mm，H=5.62mm，ℇr估计值=45；
由程序一计算得到，谐振器大致的谐振频率为4.6978GHz； 在实验仪器中输入参数：
START:4.0GHz，STOP：5.0GHz，MAKER CENTER,SPAN：20MHz； 调解两侧旋钮S11,S22，使S21的谐振频率低于-40dB以下； 记录仪器窗口数据：
f0：4.716248GHz，BW：569.4KHz，CENTER：4.7162GHz，Q：8406.9，Loss：-58.387； 由程序二计算，得： ℇr=44.64，Qf=5.0*104
五、误差分析
1）仪器自身存在一定的误差
2）将谐振频率处的S21参数调至-40dB以下时，由于每个人调节时会由于操作上的原因，给实验结果带来一定的误差
3）进行数据处理时，对实验结果时也会给结果带来微小的误差
七、实验心得
对于介电材料，由于自身知识的局限性，加上实验之前对实验内容的预习还不够到位，因此理解起来比较困难，因此在之后的实验过程中，应更加注重对实验预习的把握。在这次实验中，操作并不困难，而且还有老师在旁边的指导，但我们应该更加注重对实验原理的理解。