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0 引 言 復介電常數是表征介質(zhì)材料電磁特性最重要的參量之一，為使其付諸使用，必須準確地知道介質(zhì)材料的復介電常數。本文介紹一套介質(zhì)復介電常數測量系統軟件，它主要依據矩形腔微擾法對介質(zhì)介電常數進(jìn)行測量。該方法是測量復介電常數的一種常用方法，其具有計算簡(jiǎn)便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。該測試系統采用基于GPIB總線(xiàn)的虛擬儀器系統結構作為硬件平臺，其特點(diǎn)是系統中集成了帶有GPIB接口的實(shí)際測量?jì)x器，能夠保證系統具有很高的測量精度。軟件開(kāi)發(fā)平臺則采用圖形化軟件LabWindows／CVI，其優(yōu)點(diǎn)是集圖形化編程和文本語(yǔ)言編程于一體，其界面友好，操作簡(jiǎn)便，可大大縮短系統的開(kāi)發(fā)周期。 1 系統軟件結構 該測試系統采用LabWindows／CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境，為使自動(dòng)測試軟件具有良好的儀器擴展性，便于升級，采用模塊化編程風(fēng)格，使功能程序與驅動(dòng)程序相對獨立。功能程序是一個(gè)包括多個(gè)子程序模塊的可執行文件，它通過(guò)調用儀器驅動(dòng)程序完成對儀器的控制，并協(xié)調儀器間的工作，以完成滿(mǎn)足標準要求的測試任務(wù)，同時(shí)提供與用戶(hù)交互的友好界面，完成數據處理。根據以上思路可得流程圖，如圖1所示。 首先，對測試系統進(jìn)行參數設置，主要包括測量頻段的選定、測量點(diǎn)數的設定、通道的選擇等。然后，通過(guò)GPIB-USB卡控制矢網(wǎng)測出空腔狀態(tài)下的諧振頻率f0和品質(zhì)因素Q0，再加入樣品，測試負載時(shí)的諧振頻率fd和Qd，再利用這兩組數據，根據計算公式和樣品尺寸及腔體尺寸計算出相對介電常數和損耗正切角。 1．1 校準模塊 該校準模塊分為標準校準和非標準校準兩個(gè)部分。標準校準采用SLOT法，即短路器、開(kāi)路器、匹配負載及直通法。用戶(hù)只要根據軟件的提示在矢網(wǎng)的兩端口依次接人開(kāi)路器、短路器、匹配負載，最后直通，即可完成標準校準。非標準校準采用的是STL法，即短路板、精密波導、直通法。非標準校準后，可以保存校準文件，下次測量的時(shí)候，可以直接導人校準文件而不需要再進(jìn)行手動(dòng)校準。經(jīng)驗證，該校準基本可以達到要求。 1．2 矢網(wǎng)控制模塊 計算機與矢網(wǎng)分析儀連接主要有串口、并口、GPIB等方式。該軟件采用GPIB連接計算機和矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，其優(yōu)點(diǎn)在于：結構、命令簡(jiǎn)單，有專(zhuān)為儀器控制設計的接口信號和牢固的接插件，其數據傳輸速率為1．5 Mb／s，完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。使用時(shí)只需要安裝包含VISA庫函數的驅動(dòng)軟件即可以直接調用使用相對簡(jiǎn)單的VISA標準函數，再配合相應的指令即可控制儀器。目前，通過(guò)對HP8753ES網(wǎng)絡(luò )分析儀的控制，軟件運行良好，如圖2所示。 1．3 計算模塊 該測試系統采用的是利用微擾法對介質(zhì)介電常數進(jìn)行測量，該方法具有測量簡(jiǎn)便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。根據微擾理論，有： 式中：εr'和εr"分別為介電常數ε的實(shí)部和虛部；f0為諧振腔諧振頻率；△f為微擾后的頻偏；Q0和Qs分別為微擾前后的品質(zhì)因數；σ為電導率；介質(zhì)桿的體積Vs遠遠小于腔體的體積V0。 根據以上理論，該測量系統的計算過(guò)程分為Q值計算、相對介電常數計算、損耗角正切計算三部分。對于給定的測量系統，計算精度主要取決于測量腔體的尺寸誤差。由于加工精度的限制，實(shí)際加工的腔體與設計的腔體在尺寸上存在差別。在軟件上，由于腔體Q值及其讀數分辨率的影響，使f0和微擾后頻率fs的測量出現誤差，也即給△f帶來(lái)了誤差。 2 測量結果 在常溫條件下，對實(shí)驗室的一些樣品測量結果如表1所示(參考值指文獻[10]中的值)。 從表中可以看出，測出的結果基本與標稱(chēng)值吻合。 3 誤差分析 該測量系統的誤差主要分為兩部分：校準系統的誤差和測試系統的誤差。 校準系統的誤差主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：校準波導的反射沒(méi)有被考慮；雖然校準波導的反射很小，但是反射的部分會(huì )在校準過(guò)程中加入到附加網(wǎng)絡(luò )中去，而這部分誤差在測量反射參數時(shí)會(huì )產(chǎn)生影響，尤其當被測件的反射比較小時(shí)；波導校準和測量過(guò)程中，為了操作方便，同時(shí)也為了保護儀器，在每次連接波導時(shí)，總是將同軸波導轉換從同軸電纜上取下，這就會(huì )造成每次重新連接時(shí)，存在一定的復位誤差。 測試系統的誤差主要體現在測量腔體的尺寸誤差和讀數分辨率的影響。另外，不能完全滿(mǎn)足微擾條件而帶來(lái)的非線(xiàn)性問(wèn)題也是誤差的一個(gè)主要來(lái)源。 4 結語(yǔ) 該測試系統完成了利用微擾法對介質(zhì)介電常數的自動(dòng)測試，校準測試速度快，具有可擴展性，二次開(kāi)發(fā)性強。同時(shí)，該自動(dòng)測試的設計原理及技術(shù)能方便地運用于其他測試項目，解決手動(dòng)測試中存在的問(wèn)題，極大地提高了測試的質(zhì)量和效率。 |
