專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種鐵電材料鐵電性的測(cè)量方法及測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
鐵電材料是一種應(yīng)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(chǎng)的作用下自發(fā)極化可以被反轉(zhuǎn)的特性，通俗的講就是介 電常數(shù)隨外加電壓改變的特性。為了探索、研究和開(kāi)發(fā)鐵電材料及其器件，科學(xué)工作者和工 程技術(shù)大員對(duì)鐵電材料的鐵電性的測(cè)量提出了要求。查閱中外專(zhuān)利和科技文獻(xiàn)，有很多介紹鐵電材料鐵電性的測(cè)量方法，常見(jiàn)的方法 有諧振法、分壓法和電橋法等。這些方法的測(cè)量頻率都遠(yuǎn)在微波頻段以下。但是目前鐵電 體材料已經(jīng)在微波頻段表現(xiàn)出很有潛力的前景。而微波頻段下鐵電材料的鐵電性測(cè)量方法 卻鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)不能測(cè)量微波頻段下鐵電材料鐵電性的不足，本發(fā)明提供了 一 種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量裝置，可以測(cè)量微波頻段下鐵電材料的介電常數(shù)隨外 加電壓改變的特性，外加電壓可以達(dá)到3kV。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計(jì)算機(jī)、高壓 源和測(cè)試電路板。測(cè)試電路板包括三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)，分別為直通網(wǎng)絡(luò)、延遲網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)路 及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。這三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)從兩端到中間均依次有同軸接頭、微帶線(xiàn)、高阻四分之 一波長(zhǎng)短路枝節(jié)、耐高壓帶通濾波器、直流饋電電路。不同的是，直通網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)直流饋 電電路之間直接連接，延遲網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)直流饋電電路之間通過(guò)延遲線(xiàn)連接，開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng) 絡(luò)的兩個(gè)直流饋電電路之間有一個(gè)縫隙。測(cè)量時(shí)，將高壓源分別連接在三個(gè)微帶二端口網(wǎng) 絡(luò)的直流饋電電路上，為待測(cè)樣品提供直流偏壓。計(jì)算機(jī)從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取三個(gè)微 帶二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，并根據(jù)讀取的S參數(shù)計(jì)算出鐵電材料的介電常數(shù)。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(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)平行板傳輸線(xiàn)，傳輸線(xiàn)中的介質(zhì)采用相對(duì)介電常數(shù)超過(guò)10的高介電 常數(shù)材料。因?yàn)榻殡姵?shù)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(tǒng)的微帶耦合濾波器相比差損比較低，傳統(tǒng)的微帶耦合濾波器有較大的輻射損耗和介質(zhì)損 耗，導(dǎo)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(guò)3kV的電壓， 傳統(tǒng)的貼片隔直電容耐壓只有幾十伏，傳統(tǒng)的高壓電容由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不適合應(yīng)用在微 波頻段。本發(fā)明還提供了一種基于上述裝置的測(cè)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(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；b.依次將將直通網(wǎng)絡(luò)、延遲網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，計(jì)算機(jī)從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)；c.將兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中間縫隙的兩個(gè)微帶線(xiàn)上，待 測(cè)樣品的兩個(gè)金屬面分別焊接在縫隙的兩端，將高壓源連接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)直流 饋電電路上，其中一個(gè)直流饋電電路連接高壓源的地線(xiàn)，另一個(gè)直流饋電電路連接高壓源 的高壓線(xiàn)，在0-3kV的范圍內(nèi)調(diào)整的輸出直流電壓(調(diào)整的間隔并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一要求，應(yīng)根 據(jù)不同測(cè)量的需要選擇不同的調(diào)整間隔)，將開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，讀 取S參數(shù)；d.根據(jù)TRL校準(zhǔn)方法對(duì)讀取的S參數(shù)進(jìn)行處理，得到兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品的 S參數(shù)，進(jìn)一步得到ABCD矩陣，ABCD矩陣中的B為兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品的容抗，進(jìn)一步 得到待測(cè)樣品的電容量，進(jìn)一步根據(jù)平行板電容器的原理計(jì)算出待測(cè)樣品的介電常數(shù)，最 后記錄一個(gè)頻段內(nèi)不同直流偏壓下待測(cè)樣品的介電常數(shù)，即為待測(cè)樣品的鐵電性。所述的待測(cè)樣品的橫向尺寸應(yīng)該小于十分之一波長(zhǎng)，這樣可以將兩邊覆有金屬的 待測(cè)樣品等效為平行板電容器。本發(fā)明的有益效果是由于采用TRL校準(zhǔn)方法消除饋線(xiàn)等測(cè)量電路的影響，可以 測(cè)量微波頻段下待測(cè)樣品的介電常數(shù)；由于采用具有高介電常數(shù)的開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)平 行板傳輸線(xiàn)作為耐高壓帶通濾波器，降低濾波器的差損，提高測(cè)量精度；由于采用高阻四分 之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)將和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連的微帶線(xiàn)的直流電勢(shì)限制在零電勢(shì)，保證高壓 測(cè)量時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的安全。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是圖1中測(cè)試電路板的電路圖。圖3是圖2中耐高壓帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，1、計(jì)算機(jī)，2、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，3、測(cè)試電路板，4、高壓源，31、直通網(wǎng)絡(luò)，32、 延遲網(wǎng)絡(luò)，33、開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，34、同軸接頭，35、微帶線(xiàn)，36、高阻四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)， 37、短路孔，38、耐高壓帶通濾波器，39、直流饋電電路，40、延遲線(xiàn)，41、縫隙，381、陶瓷，382、 金屬極板，391、四分之一波長(zhǎng)高阻線(xiàn)，392、扇形四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線(xiàn)，393、隔離電阻，394、焊盤(pán)。
具體實(shí)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(cè)量裝置，包括計(jì)算機(jī)1，矢量網(wǎng) 絡(luò)分析儀2，測(cè)試電路板3和高壓源4。高壓源4連接在測(cè)試電路板3上，為待測(cè)樣品提供 不同的直流偏壓。計(jì)算機(jī)1控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2讀取測(cè)試電路板3的S參數(shù)，并對(duì)讀取 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算輸出，給出待測(cè)樣品的介電常數(shù)數(shù)據(jù)。如圖1、圖2所示，測(cè)試電路板3包括直通網(wǎng)絡(luò)31，延遲網(wǎng)絡(luò)32和開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò) 33。測(cè)試電路板3采用蝕刻等工藝方式設(shè)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(wǎng)絡(luò)31、延遲網(wǎng)絡(luò)32和開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33相似，都是左右對(duì) 稱(chēng)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都包括兩組同軸接頭34，微帶線(xiàn)35，高阻四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)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(wǎng)絡(luò)31中的兩個(gè)直流饋電電 路39之間直接連接，延遲網(wǎng)絡(luò)32的兩個(gè)直流饋電電路39之間通過(guò)延遲線(xiàn)40連接，開(kāi)路及 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33的兩個(gè)直流饋電電路39之間有一個(gè)縫隙41。直流饋電電路39包括四分之一 波長(zhǎng)高阻線(xiàn)391，扇形四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線(xiàn)392，隔離電阻393和焊盤(pán)394。如圖2所示，微波信號(hào)在兩個(gè)同軸接頭34之間，沿著微帶線(xiàn)35和耐高壓帶通濾 波器38傳播。測(cè)量時(shí)，開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33中的兩個(gè)直流饋電電路39為焊接在縫隙41上 的待測(cè)樣品提供直流偏壓。高壓源4的兩根輸出線(xiàn)分別連接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33中的兩 個(gè)直流饋電電路39的兩個(gè)焊盤(pán)394上。隔離電路393隔斷了焊盤(pán)394對(duì)微波信號(hào)的影響。 四分之一波長(zhǎng)高阻線(xiàn)391和扇形四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線(xiàn)392連接起來(lái)可以確保直流饋電電路 39對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)開(kāi)路特性。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)耐高壓帶通濾波器38隔斷直流通路。高 阻四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)36和短路孔37在微帶線(xiàn)35處相當(dāng)于開(kāi)路，不影響微波信號(hào)的傳 輸，其作用是確保即使在意外的情況下微帶線(xiàn)35仍處于地電位，高電壓不會(huì)傳輸?shù)绞噶烤W(wǎng) 絡(luò)分析儀2中。待測(cè)樣品的幾何形狀為片狀，兩邊覆有金屬，當(dāng)待測(cè)樣品的橫向尺寸小于十分之 一波長(zhǎng)的時(shí)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(gè)金屬極板 382。兩個(gè)金屬極板382覆在圓柱形的陶瓷381的兩個(gè)底面上。選擇比較高的介電常數(shù)和 適當(dāng)?shù)慕饘贅O板382尺寸，使耐高壓帶通濾波器38的半徑為四分之一波長(zhǎng)，則在測(cè)量頻率 下，耐高壓帶通濾波器38呈現(xiàn)短路特性。如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量方法包括如下步 驟a.校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2 ；b.依次將將直通網(wǎng)絡(luò)31、延遲網(wǎng)絡(luò)32和開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀2上，計(jì)算機(jī)1從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2中讀取三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)；c.將兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33中間縫隙41的兩個(gè)微帶 線(xiàn)35上，待測(cè)樣品的兩個(gè)金屬面分別焊接在縫隙的兩端，將高壓源4連接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng) 絡(luò)的兩個(gè)直流饋電電路39上，，其中一個(gè)直流饋電電路39連接高壓源4的地線(xiàn)，另一個(gè)直 流饋電電路39連接高壓源4的高壓線(xiàn)，在0-3kV的范圍內(nèi)調(diào)整的輸出直流電壓，將將開(kāi)路 及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)33連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2上，讀取S參數(shù)；d.根據(jù)TRL校準(zhǔn)方法對(duì)讀取的S參數(shù)進(jìn)行處理，得到兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品的 S參數(shù)，進(jìn)一步得到AB⑶矩陣，AB⑶矩陣中的B為兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品的容抗)，進(jìn)一 步得到待測(cè)樣品的電容量，進(jìn)一步根據(jù)平行板電容器的原理計(jì)算出待測(cè)樣品的介電常數(shù)， 最后記錄一個(gè)頻段內(nèi)不同直流偏壓下待測(cè)樣品的介電常數(shù)，即為待測(cè)樣品的鐵電性。
權(quán)利要求
一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量裝置，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計(jì)算機(jī)、高壓源和測(cè)試電路板，其特征在于測(cè)試電路板包括三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)，分別為直通網(wǎng)絡(luò)、延遲網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)；所述的三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)從兩端到中間均依次有同軸接頭、微帶線(xiàn)、高阻四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)、耐高壓帶通濾波器、直流饋電電路；不同的是，直通網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)直流饋電電路之間直接連接，延遲網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)直流饋電電路之間通過(guò)延遲線(xiàn)連接，開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)直流饋電電路之間有一個(gè)縫隙；將高壓源分別連接在三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的直流饋電電路上，為待測(cè)樣品提供直流偏壓；計(jì)算機(jī)從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，并根據(jù)讀取的S參數(shù)計(jì)算出鐵電材料的介電常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量裝置，其特征在于 所述的高壓源的輸出直流電壓從OV到3kV變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量裝置，其特征在于 所述的耐高壓帶通濾波器為開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)平行板傳輸線(xiàn)，傳輸線(xiàn)中的介質(zhì)采用相對(duì) 介電常數(shù)超過(guò)10的高介電常數(shù)材料，耐超過(guò)3kV的電壓。
4.一種利用權(quán)利要求1所述裝置的測(cè)量方法，其特征在于包括下述步驟a.校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；b.依次將將直通網(wǎng)絡(luò)、延遲網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，計(jì)算機(jī) 從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)；c.將兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中間縫隙的兩個(gè)微帶線(xiàn)上，待測(cè)樣 品的兩個(gè)金屬面分別焊接在縫隙的兩端，將高壓源連接在開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)直流饋電 電路上，其中一個(gè)直流饋電電路連接高壓源的地線(xiàn)，另一個(gè)直流饋電電路連接高壓源的高 壓線(xiàn)，在0-3kV的范圍內(nèi)調(diào)整的輸出直流電壓，將開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 上，讀取S參數(shù)；d.根據(jù)TRL校準(zhǔn)方法對(duì)讀取的S參數(shù)進(jìn)行處理，得到兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品的S參 數(shù)，進(jìn)一步得到ABCD矩陣，ABCD矩陣中的B為兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品的容抗，進(jìn)一步得 到待測(cè)樣品的電容量，進(jìn)一步根據(jù)平行板電容器的原理計(jì)算出待測(cè)樣品的介電常數(shù)，最后 記錄一個(gè)頻段內(nèi)不同直流偏壓下待測(cè)樣品的介電常數(shù)，即為待測(cè)樣品的鐵電性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量方法，其特征在于 所述的待測(cè)樣品的橫向尺寸小于十分之一波長(zhǎng)，這樣可以將兩邊覆有金屬的待測(cè)樣品等效 為平行板電容器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微波頻段下鐵電材料鐵電性的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，測(cè)試電路板包括三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)，分別為直通網(wǎng)絡(luò)、延遲網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)路及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，從兩端到中間均依次有同軸接頭、微帶線(xiàn)、高阻四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)、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(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的直流饋電電路上，為待測(cè)樣品提供直流偏壓；計(jì)算機(jī)從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取三個(gè)微帶二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，并根據(jù)讀取的S參數(shù)計(jì)算出鐵電材料的介電常數(shù)。本發(fā)明可以測(cè)量微波頻段下待測(cè)樣品的介電常數(shù)；降低濾波器的差損，提高測(cè)量精度；保證高壓測(cè)量時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的安全。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101923129SQ20101022185
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者任安康, 吳昌英, 李建周, 王婷 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)