一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置及測量方法
2023-06-07 18:17:06
專利名稱：一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明屬於微波測量領域，涉及一種鐵電材料鐵電性的測量方法及測量裝置。
背景技術：
鐵電材料是一種應用廣泛的功能材料。鐵電性是鐵電材料的重要特性之一。鐵電 性是指某些絕緣體材料在外加電場的作用下自發極化可以被反轉的特性，通俗的講就是介 電常數隨外加電壓改變的特性。為了探索、研究和開發鐵電材料及其器件，科學工作者和工 程技術大員對鐵電材料的鐵電性的測量提出了要求。查閱中外專利和科技文獻，有很多介紹鐵電材料鐵電性的測量方法，常見的方法 有諧振法、分壓法和電橋法等。這些方法的測量頻率都遠在微波頻段以下。但是目前鐵電 體材料已經在微波頻段表現出很有潛力的前景。而微波頻段下鐵電材料的鐵電性測量方法 卻鮮有報導。
發明內容
為了克服現有技術不能測量微波頻段下鐵電材料鐵電性的不足，本發明提供了 一 種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置，可以測量微波頻段下鐵電材料的介電常數隨外 加電壓改變的特性，外加電壓可以達到3kV。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括矢量網絡分析儀、計算機、高壓 源和測試電路板。測試電路板包括三個微帶二埠網絡，分別為直通網絡、延遲網絡、開路 及測量網絡。這三個微帶二埠網絡從兩端到中間均依次有同軸接頭、微帶線、高阻四分之 一波長短路枝節、耐高壓帶通濾波器、直流饋電電路。不同的是，直通網絡中的兩個直流饋 電電路之間直接連接，延遲網絡的兩個直流饋電電路之間通過延遲線連接，開路及測量網 絡的兩個直流饋電電路之間有一個縫隙。測量時，將高壓源分別連接在三個微帶二埠網 絡的直流饋電電路上，為待測樣品提供直流偏壓。計算機從矢量網絡分析儀中讀取三個微 帶二埠網絡的S參數，並根據讀取的S參數計算出鐵電材料的介電常數。所述的高壓源的輸出直流電壓可以從OV到3kV變化。所述的耐高壓帶通濾波器為 開路的四分之一波長平行板傳輸線，傳輸線中的介質採用相對介電常數超過10的高介電 常數材料。因為介電常數越高，則輻射損耗越低，差損越小。所述的耐高壓帶通濾波器和傳 統的微帶耦合濾波器相比差損比較低，傳統的微帶耦合濾波器有較大的輻射損耗和介質損 耗，導致了差損比較高。所述的耐高壓帶通濾波器和隔直電容相比可以耐超過3kV的電壓， 傳統的貼片隔直電容耐壓只有幾十伏，傳統的高壓電容由於其結構的特點不適合應用在微 波頻段。本發明還提供了一種基於上述裝置的測量微波頻段下鐵電材料鐵電性的方法，包 括如下步驟a.校準矢量網絡分析儀；b.依次將將直通網絡、延遲網絡和開路及測量網絡連接在矢量網絡分析儀上，計算機從矢量網絡分析儀中讀取三個微帶二埠網絡的S參數；c.將兩邊覆有金屬的待測樣品接在開路及測量網絡中間縫隙的兩個微帶線上，待 測樣品的兩個金屬面分別焊接在縫隙的兩端，將高壓源連接在開路及測量網絡的兩個直流 饋電電路上，其中一個直流饋電電路連接高壓源的地線，另一個直流饋電電路連接高壓源 的高壓線，在0-3kV的範圍內調整的輸出直流電壓(調整的間隔並沒有一個統一要求，應根 據不同測量的需要選擇不同的調整間隔)，將開路及測量網絡連接在矢量網絡分析儀上，讀 取S參數；d.根據TRL校準方法對讀取的S參數進行處理，得到兩邊覆有金屬的待測樣品的 S參數，進一步得到ABCD矩陣，ABCD矩陣中的B為兩邊覆有金屬的待測樣品的容抗，進一步 得到待測樣品的電容量，進一步根據平行板電容器的原理計算出待測樣品的介電常數，最 後記錄一個頻段內不同直流偏壓下待測樣品的介電常數，即為待測樣品的鐵電性。所述的待測樣品的橫向尺寸應該小於十分之一波長，這樣可以將兩邊覆有金屬的 待測樣品等效為平行板電容器。本發明的有益效果是由於採用TRL校準方法消除饋線等測量電路的影響，可以 測量微波頻段下待測樣品的介電常數；由於採用具有高介電常數的開路的四分之一波長平 行板傳輸線作為耐高壓帶通濾波器，降低濾波器的差損，提高測量精度；由於採用高阻四分 之一波長短路枝節將和矢量網絡分析儀相連的微帶線的直流電勢限制在零電勢，保證高壓 測量時矢量網絡分析儀的安全。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明測量裝置的結構框圖。圖2是圖1中測試電路板的電路圖。圖3是圖2中耐高壓帶通濾波器的結構圖。圖中，1、計算機，2、矢量網絡分析儀，3、測試電路板，4、高壓源，31、直通網絡，32、 延遲網絡，33、開路及測量網絡，34、同軸接頭，35、微帶線，36、高阻四分之一波長短路枝節， 37、短路孔，38、耐高壓帶通濾波器，39、直流饋電電路，40、延遲線，41、縫隙，381、陶瓷，382、 金屬極板，391、四分之一波長高阻線，392、扇形四分之一波長開路線，393、隔離電阻，394、焊盤。
具體實施例方式如圖1所示，一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置，包括計算機1，矢量網 絡分析儀2，測試電路板3和高壓源4。高壓源4連接在測試電路板3上，為待測樣品提供 不同的直流偏壓。計算機1控制矢量網絡分析儀2讀取測試電路板3的S參數，並對讀取 的數據進行計算輸出，給出待測樣品的介電常數數據。如圖1、圖2所示，測試電路板3包括直通網絡31，延遲網絡32和開路及測量網絡 33。測試電路板3採用蝕刻等工藝方式設置在雙面覆銅板上。雙面覆銅板的下表面為地平 面，上表面如圖2所示。直通網絡31、延遲網絡32和開路及測量網絡33相似，都是左右對 稱。每個網絡都包括兩組同軸接頭34，微帶線35，高阻四分之一波長短路枝節36，短路孔37，耐高壓帶通濾波器38和直流饋電電路39。不同的是，直通網絡31中的兩個直流饋電電 路39之間直接連接，延遲網絡32的兩個直流饋電電路39之間通過延遲線40連接，開路及 測量網絡33的兩個直流饋電電路39之間有一個縫隙41。直流饋電電路39包括四分之一 波長高阻線391，扇形四分之一波長開路線392，隔離電阻393和焊盤394。如圖2所示，微波信號在兩個同軸接頭34之間，沿著微帶線35和耐高壓帶通濾 波器38傳播。測量時，開路及測量網絡33中的兩個直流饋電電路39為焊接在縫隙41上 的待測樣品提供直流偏壓。高壓源4的兩根輸出線分別連接在開路及測量網絡33中的兩 個直流饋電電路39的兩個焊盤394上。隔離電路393隔斷了焊盤394對微波信號的影響。 四分之一波長高阻線391和扇形四分之一波長開路線392連接起來可以確保直流饋電電路 39對微波信號呈現開路特性。每個網絡上的兩個耐高壓帶通濾波器38隔斷直流通路。高 阻四分之一波長短路枝節36和短路孔37在微帶線35處相當於開路，不影響微波信號的傳 輸，其作用是確保即使在意外的情況下微帶線35仍處於地電位，高電壓不會傳輸到矢量網 絡分析儀2中。待測樣品的幾何形狀為片狀，兩邊覆有金屬，當待測樣品的橫向尺寸小於十分之 一波長的時候可以等效為平行板電容器。如圖2和圖3所示，耐高壓帶通濾波器38包括圓柱形的陶瓷381和兩個金屬極板 382。兩個金屬極板382覆在圓柱形的陶瓷381的兩個底面上。選擇比較高的介電常數和 適當的金屬極板382尺寸，使耐高壓帶通濾波器38的半徑為四分之一波長，則在測量頻率 下，耐高壓帶通濾波器38呈現短路特性。如圖1、圖2所示，本發明一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量方法包括如下步 驟a.校準矢量網絡分析儀2 ；b.依次將將直通網絡31、延遲網絡32和開路及測量網絡33連接在矢量網絡分析 儀2上，計算機1從矢量網絡分析儀2中讀取三個微帶二埠網絡的S參數；c.將兩邊覆有金屬的待測樣品接在開路及測量網絡33中間縫隙41的兩個微帶 線35上，待測樣品的兩個金屬面分別焊接在縫隙的兩端，將高壓源4連接在開路及測量網 絡的兩個直流饋電電路39上，，其中一個直流饋電電路39連接高壓源4的地線，另一個直 流饋電電路39連接高壓源4的高壓線，在0-3kV的範圍內調整的輸出直流電壓，將將開路 及測量網絡33連接在矢量網絡分析儀2上，讀取S參數；d.根據TRL校準方法對讀取的S參數進行處理，得到兩邊覆有金屬的待測樣品的 S參數，進一步得到AB⑶矩陣，AB⑶矩陣中的B為兩邊覆有金屬的待測樣品的容抗)，進一 步得到待測樣品的電容量，進一步根據平行板電容器的原理計算出待測樣品的介電常數， 最後記錄一個頻段內不同直流偏壓下待測樣品的介電常數，即為待測樣品的鐵電性。
權利要求
一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置，包括矢量網絡分析儀、計算機、高壓源和測試電路板，其特徵在於測試電路板包括三個微帶二埠網絡，分別為直通網絡、延遲網絡、開路及測量網絡；所述的三個微帶二埠網絡從兩端到中間均依次有同軸接頭、微帶線、高阻四分之一波長短路枝節、耐高壓帶通濾波器、直流饋電電路；不同的是，直通網絡中的兩個直流饋電電路之間直接連接，延遲網絡的兩個直流饋電電路之間通過延遲線連接，開路及測量網絡的兩個直流饋電電路之間有一個縫隙；將高壓源分別連接在三個微帶二埠網絡的直流饋電電路上，為待測樣品提供直流偏壓；計算機從矢量網絡分析儀中讀取三個微帶二埠網絡的S參數，並根據讀取的S參數計算出鐵電材料的介電常數。
2.根據權利要求1所述的一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置，其特徵在於 所述的高壓源的輸出直流電壓從OV到3kV變化。
3.根據權利要求1所述的一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置，其特徵在於 所述的耐高壓帶通濾波器為開路的四分之一波長平行板傳輸線，傳輸線中的介質採用相對 介電常數超過10的高介電常數材料，耐超過3kV的電壓。
4.一種利用權利要求1所述裝置的測量方法，其特徵在於包括下述步驟a.校準矢量網絡分析儀；b.依次將將直通網絡、延遲網絡和開路及測量網絡連接在矢量網絡分析儀上，計算機 從矢量網絡分析儀中讀取三個微帶二埠網絡的S參數；c.將兩邊覆有金屬的待測樣品接在開路及測量網絡中間縫隙的兩個微帶線上，待測樣 品的兩個金屬面分別焊接在縫隙的兩端，將高壓源連接在開路及測量網絡的兩個直流饋電 電路上，其中一個直流饋電電路連接高壓源的地線，另一個直流饋電電路連接高壓源的高 壓線，在0-3kV的範圍內調整的輸出直流電壓，將開路及測量網絡連接在矢量網絡分析儀 上，讀取S參數；d.根據TRL校準方法對讀取的S參數進行處理，得到兩邊覆有金屬的待測樣品的S參 數，進一步得到ABCD矩陣，ABCD矩陣中的B為兩邊覆有金屬的待測樣品的容抗，進一步得 到待測樣品的電容量，進一步根據平行板電容器的原理計算出待測樣品的介電常數，最後 記錄一個頻段內不同直流偏壓下待測樣品的介電常數，即為待測樣品的鐵電性。
5.根據權利要求4所述的一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量方法，其特徵在於 所述的待測樣品的橫向尺寸小於十分之一波長，這樣可以將兩邊覆有金屬的待測樣品等效 為平行板電容器。
全文摘要
本發明公開了一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測量裝置及測量方法，測試電路板包括三個微帶二埠網絡，分別為直通網絡、延遲網絡、開路及測量網絡，從兩端到中間均依次有同軸接頭、微帶線、高阻四分之一波長短路枝節、耐高壓帶通濾波器、直流饋電電路；將高壓源分別連接在三個微帶二埠網絡的直流饋電電路上，為待測樣品提供直流偏壓；計算機從矢量網絡分析儀中讀取三個微帶二埠網絡的S參數，並根據讀取的S參數計算出鐵電材料的介電常數。本發明可以測量微波頻段下待測樣品的介電常數；降低濾波器的差損，提高測量精度；保證高壓測量時矢量網絡分析儀的安全。
文檔編號G01R31/00GK101923129SQ20101022185
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月8日 優先權日2010年7月8日
發明者任安康, 吳昌英, 李建周, 王婷 申請人:西北工業大學