1、專業(yè)：材料科學與工程姓名： 沈升 學號： 日期： 2015.11.3 地點： 曹樓535 實驗報告課程名稱：材料科學與工程基礎(chǔ)實驗 指導老師： 李雷 成績：_實驗名稱： 介電材料電學性能 實驗類型： 同組學生姓名： 13組 一、實驗目的和要求（必填）二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、 實驗目的1、 了解低損耗介電材料在微波通訊技術(shù)中的應用；2、 了解介質(zhì)諧振法的測試原理；3、 掌握利用介質(zhì)諧振法測試低損耗材料微波介電性能的技術(shù)。二、 實驗原理微波指頻率介于300MHz和300GHz之間的電磁

2、波，在通訊領(lǐng)域有著非常廣泛的應用。而微波介質(zhì)材料指適用于微波頻段的低損耗（通常在10-3數(shù)量級以下）、溫度穩(wěn)定型電介質(zhì)材料（通常為陶瓷材料），被廣泛應用于微波介質(zhì)諧振器、振蕩器、濾波器、雙工器、微波電容器及微波基板等，是移動通訊、衛(wèi)星通訊、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、藍牙技術(shù)以及無線局域網(wǎng)（WLAN）等現(xiàn)代微波通訊技術(shù)的關(guān)鍵材料之一。對于工作于較低頻率下的介電材料，一般用介電常數(shù)r、介電損耗tan及介電性能的溫度依賴性表征其介電性能。而對工作于微波頻段的損耗介質(zhì)材料，相對應的三個基本參數(shù)及其要求則為：合適的介電常數(shù)r、高Qf值及近零諧振頻率溫度系數(shù)f。其中。當微波介質(zhì)材料作為諧振單元使用時，應

3、具有較高的介電常數(shù)，以滿足器件小型化的需要；而當其作為微波基板使用時，由于微波在基板中傳播的速度c=c0/r,為了減小微波電路中的延遲，介質(zhì)材料應具有盡可能低的介電常數(shù)r。Qf值定義為品質(zhì)因子Q（介電損耗tan的倒數(shù)）與頻率的f的乘積，單位為GHz。高Qf值對應微波介質(zhì)材料作為諧振單元使用時的良好頻率選擇性及作為微波基板使用時的低信號衰減。一般認為，低損耗材料在微波頻段的Qf值為不隨頻率變化的常數(shù)。低損耗微波介質(zhì)材料作為諧振單元使用時，其諧振頻率f0通常隨溫度線性變化，故用諧振頻率溫度系數(shù)f表征其溫度穩(wěn)定性，定義為f=f0T2-f0(T1)f0(T1)(T2-T1),單位為ppm/oC,其中T

4、2和T1表示兩個測試溫度。本實驗課中只涉及介電常數(shù)r及Qf值的測試。在測試頻率較低、試樣尺寸遠小于電磁波波長時（如1MHz以下），可以把片狀介質(zhì)材料兩端面鍍上金屬電極、構(gòu)成平板電容器，直接用LCR儀或阻抗分析儀測試其介電性能。但當頻率升至微波頻段時，試樣尺寸已可與電磁波波長相比擬，以上方法不再適用。對于低損耗介質(zhì)材料，其微波介電性能需用網(wǎng)絡(luò)分析儀及介質(zhì)諧振法進行測試。網(wǎng)絡(luò)分析儀通常有兩個端口，均可發(fā)射和接受微波信號，其測試參數(shù)為S參數(shù)，定義為接收與發(fā)射信號電壓的比值，為模在0-1間的復數(shù)。S參數(shù)常用對數(shù)形式表示，定義為20logeS，取值在- 0之間，單位為dB。由S參數(shù)的定義知：兩端口網(wǎng)絡(luò)分

5、析儀中共有四個S參數(shù)：S11，S21，S12，S22，其中第一、二個下標分別表示接收及發(fā)射端口。圓柱形金屬空腔即為最簡單的微波諧振器，其諧振頻率f0及品質(zhì)因子Qu由空腔的尺寸及金屬內(nèi)壁的表面電導率決定。用低損耗介質(zhì)材料部分填充金屬腔，即構(gòu)成介質(zhì)諧振器，其諧振頻率f0及品質(zhì)因子Qu由試樣的尺寸、介電性能（r、Qf值）及金屬腔的性質(zhì)（尺寸及表面電導率）共同決定。因此，通過測試介質(zhì)諧振器謝振峰的性質(zhì)（諧振頻率f0及品質(zhì)因子Qu），即可通過數(shù)值方法求解出待測試樣的r及Qf值。三、測試步驟1）將試樣尺寸及估計的介電常數(shù)輸入至程序，計算介質(zhì)諧振器大致的諧振頻率范圍。2）在估計的頻率范圍內(nèi)找到諧振峰（對應于

6、S21）參數(shù)的最大值。3）將諧振頻率處的S21參數(shù)調(diào)至-40dB以下，記錄諧振頻率f0及3dB帶寬f。計算品質(zhì)因子Qu=f0/f及Qfu=Qu* f0。注意此處的Qfu對應于介質(zhì)諧振器的Qf值（包括試樣及金屬腔兩部分的貢獻），而非試樣的Qf值。4）將試樣尺寸、f0及Qfu輸入至程序，計算試樣的r及Qf值。四、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理5號試樣尺寸：D=9.98mm，H=5.62mm，r估計值=45；由程序一計算得到，諧振器大致的諧振頻率為4.6978GHz；在實驗儀器中輸入?yún)?shù)：START:4.0GHz，STOP：5.0GHz，MAKER CENTER,SPAN：20MHz；調(diào)解兩側(cè)旋鈕S11,S22，使S21的諧振頻率低于-40dB以下；記錄儀器窗口數(shù)據(jù)：f0：4.GHz，BW：569.4KHz，CENTER：4.7162GHz，Q：8406.9，Loss：-58.387；由程序二計算，得：r=44.64，Qf=5.0*104五、誤差分析1）儀器自身存在一定的誤差2）將諧振頻率處的S21參數(shù)調(diào)至-40dB以下時，由于每個人調(diào)節(jié)時會由于操作上的原因，給實驗結(jié)果帶來一定的誤差3）進行數(shù)據(jù)處理時，對實驗結(jié)果時也會給結(jié)果帶來微小的誤差七、實驗心得對于介電材料，由于自身知識