每一种材料都有其独特的特性。精确的材料测试特性能够为工程师和科研工作者能提供更有效，精确的材料测试信息，使得我们更了解应用的材料，更好地进行设计研究工作。举个简单的例子，电路板，PCB板都是由特定的材料，如果我们精确知道索要应用的材料的电磁特性，就可以预先评估电缆上的介质损耗，特性阻抗等信息，这些信息对于信号完整性來说是至关重要的。
介质损耗是什么意思？
由于介质损耗的原因是多方面的，所以介质损耗的形式也是多种多样的。介电损耗主要有以下形式：
2）极化损耗 - 在介质发生缓慢极化时，带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗。一些介质在电场极化时也会产生损耗，这种损耗一般称极化损耗。
4）结构损耗 - 在高频电场和低温下，有一类与介质内邻结构的紧密度密切相关的介质损耗称为结构损耗。这类损耗与温度关系不大，耗功随频率升高而增大等。
材料分析测试方法有哪些? 常规材料测试挑战
材料成分分析测试的常见方法有光谱分析法、色谱分析法、质谱分析法、元素分析法等。
对于生物组织、液体、粉末以及半固体等这一类材料，通常很难进行外形的精确加工，从而配合常规材料测试夹具进行介电特性测试。所以采用什么样的测试方法在不影响材料本身物理特性的情况下完成特性表征，成了相关应用领域需要面对的主要问题。
介电特性是什么意思？
介电特性是指物质分子中的束缚电荷 (只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它主要由相对介电常数εr'、相对介质损耗因数εr〃、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗等参数来表征。
油和水(纯净的水)都属绝缘体。但纯净的水的介电性能远远高于油。拿相对介电常数来讲，水的介电常数是81，而变压器油的在3-5之间。一些参考和有机电介质的典型 ε 值为：
| 材料 | 介电常数 (ε) |
| 真空 | 1.000 |
| 干燥的空气 | 1.0059 |
| 泡沫聚乙烯 | 1.6 |
| 含氟聚合物 | 2.0 |
| 聚丙烯 | 2.1 |
| 丁基橡胶 | 2.3 |
| 丁苯橡胶 | 2.9 |
| 硅橡胶 | 3.2 |
| 有机玻璃 | 3.4 |
| PVC | 4.0 |
| 玻璃 | 3.8-14.5 |
| 蒸馏水 | ~80 |
主要应用： 在生产收音机和其他电气设备中使用的电容器时使用材料。电路设计人员常用来比较不同的印刷电路板 (PCB) 材料。此外，还可用于开发储能应用的材料，例如，聚合物基介电复合材料非常适合从电子封装、嵌入式电容器到能量存储的应用。这些复合材料在加工温度低的情况下具有高度的柔韧性，并且它们表现出相对高的介电常数、低介电损耗和高介电强度。
材料电磁特性测试的重要性
材料的电磁特性测试是电子通信应用中研究、设计以及生产中的关键环节. 或者说基础环节。材料的电磁特性直接影响了最终产品的性能的高低。材料的电磁特性的测试对于广大的电子工程师 以及厂家都是非常重要的。而我们是德科技在材料测试这方面也拥有这诸多的解决方案。已经为客户推出了非常多的简单高效，精确的解决方案。那么今天我们就一起来看下我们的关于材料电磁特性测试的解决方案。
材料电磁特性测试
材料的主要一个应用是用来进行高速或者高频信号的传输，比如制作成微带线，微带线的特征阻抗就会直接影响信号的传输质量，而特征阻抗是和材料的介电常数直接相关的。另外像天线或者天线罩，材料的介电常数会决定材料分析测试技术指标。
5G，新能源汽车以及汽车雷达等应用对介电常数等测试提出了更高的要求。这些领域材料分析测试技术的演进包括對介电常数、磁导率、导电率的需求。我们不仅需要准确地测量和分析材料的的介电常数和磁导率，还需要对低损耗材料，高频材料进行电磁特性分析（频率甚至高达 THz）。
5G，毫米波雷达，无线充电，食品等都是目前市场材料电磁特性研究的主要方向。客户需要测量RF和mmWave频率范围内材料的属性，以便为新兴应用设计模块，通常这类型的材料的客户不熟悉RF或uW / mmWave测量方法。国内5G主要颁布的频段是24.75-27.5GHz 37-42.5GHz，这些频段的大气损耗相对低，适用于长距离通信。为了满足日益增长的数据传输的需求，大带宽，高级调制和MIMO技术都将应用于5G通信。汽车雷达主要应用频率是 24 GHz和 77 GHz，信号带宽高达 4 GHz，对于中短程的 24 GHz雷达主要用于自动泊车，盲点监控，而77 GHz 的远程雷达则应用于智能驾驶，对材料的各项指标有着严苛的要求。
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介电常数(Permittivity) 是反映压电材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，通常用ε来表示。不同用途的压电元件对压电材料的介电常数要求不同。当压电材料的形状、尺寸一定时，介电常数ε通过测量压电材料的固有电容CP来确定。
根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。
介电常数描述了材料与外加电场间的相互作用，介电常数的实部 (ε r‘ ) 表示外部电场有多少电能储存到材料中。 介电常数的虚部(ε r“) ， 表示材料中有多少电能耗散到外部电场。同样磁导率表示的是材料与外加磁场之间的相互作用。
通常我们说的介电常数都是相对介电常数，表示相对于真空中介电常数的数值。
介电常数ε0约等于多少呢？
真空介电常量，又称为真空电容率，或称电常数，是一个常见的电磁学物理常数，符号为ε0。在国际单位制里，真空介电常量的数值为：ε0＝8.854187817×10-12F/m（近似值）。
介电常数越大代表什么?
代表的是束缚电荷的能力越强，材料的绝缘性能越好，既然介电常数越大，束缚电荷能力越强，这样在形同的外电场中，电荷就越不容易极化，极化电荷就越少，极化电场就越弱。
当给平行板电容器施加直流电压时，如果两板之间存在介电材料，那么可以储存比没有介电材料 (真空) 时更多的电荷。介电材料可以通过中和电极上的电荷，使电容器储存更多电荷，而通常情况下，这些电荷将流向外部电场。介电材料的电容与介电常数有关。当在平行板电容器上并联直流电压源 v 时 (图 1)，两板之间有介电材料的配置可以比没有介电材料 (真空) 的配置储存更多的电荷。
其中，
C 和 C0 分别是有和没有电介质时的电容；
k ' = ε 'r 是实际介电常数或介电常数，
A 和 t 分别是电容器平板的面积和间距
下面的符号可以互换表示复数介电常数
F/m 是自由空间介电常数，E 是电场。
介电常数 ( k ) 等于相对介电常数 ( εr )，或绝对介电常数 ( ε )与自由空间介电常数 (ε0 ) 之比。
介电常数的实部 ( ε r' ) 表示外部电场有多少电能储存到材料中。介电常数的虚部 (ε r " ) 称为损耗因子，表示材料中有多少电能耗散到外部电场。介电常数的虚部 ( ε r' ) 始终大于 0，通常远远小于 ( ε r' )。损耗因子同时包括电介质损耗和电导率的效应。
如果用简单的矢量图 (图 3) 表示复数介电常数，实部和虚部的相位将会相差 90°。其矢量和与实轴 ( ε r' ) 形成夹角 δ。材料的相对 "损耗" 等于损耗电量与储存电量的比值。
损耗正切或 tan δ 定义为介电常数的虚部与实部之比。D 表示耗散因子，Q 表示品质因数。损耗正切 tan δ 可以读成 tan delta、损耗正切角或耗散因子。有时，"品质因数或 Q 因数" 也用来描述电子微波材料的特性，等于损耗正切的倒数。对于损耗非常低的材料，tan δ ≈ δ，所以损耗正切可以用角度单位毫弧度或微弧度来表示。
什么是导磁率？
导磁率 (μ) 描述了材料与磁场的相互作用。为了分析导磁率可以用一个电感加电阻来进行类比，其中用电阻表示磁性材料中的磁芯损耗 (图 4)。如果在电感上并联直流电流源，则磁芯材料中的电感与导磁率有关。
在方程式中，L 是材料的电感，L 0 是线圈的自由空间电感，μ' 是实际导磁率。如果在同一电感器上并联一个交流正弦电流源，得到的电压将包含感应电压和与导磁率有关的损耗电压两部分。磁芯损耗可以用与电感器 (L) 串联的电阻 (R) 表示。复数导磁率 (μ* 或 μ) 由表示电能储存项的实部 (μ') 和表示电能损耗项的虚部 (μ") 组成。
相对介电常数 μr 是相对于自由空间的介电常数:
铁 (铁氧体)、钴、镍及其合金等材料具有较大的磁性；但许多材料没有磁性，其导磁率与自由空间的导磁率 (μr = 1) 非常接近。另一方面，所有材料都具有介电特性，因此本文讨论的重点主要是导磁率测量。
介电机理
材料自身的多种介电机理或极化效应 (图 7)。介电材料中包含有序排列的电荷载流子，这些载流子如果受到电场作用，将会发生位移。极化导致电荷对电场进行补偿，正电荷和负电荷会朝相反方向移动。
什么是极化效应?
极化效应是指某种物理现象或过程中，物理量在某一方向上的分布或变化呈现出极端化趋势的现象。简单来说，就是事物向着更加极端的状况发展。
从微观角度上看，有多种介电机理会对介电特性产生影响。偶极子取向和离子传导在微波频率上会发生强烈的相互作用。例如，水分子是永久性偶极子，在交替电场的作用下会发生旋转。这些机理具有非常大的损耗 ― 这可以解释为什么微波炉能够加热食物。原子和电子机理相对较弱，在微波范围内通常是恒定不变的。每个介电机理都具有特征的 "截止频率"。随着频率的增加，较慢的机理会依次退出，只剩下较快的机理，用 ε ' 表示。损耗因子 ( ε r" ) 将会在每个临界频率上达到相应的峰值。对于不同的材料，每个机理的幅度和 "截止频率" 都是独一无二的。水在低频范围内具有非常强的偶极子效应，但是其介电常数在 22 GHz 附近会明显下降。另一方面，PTFE 没有偶极子机理，其介电常数在毫米波范围内也是非常恒定的。
谐振效应通常与电子或原子偏振有关。弛豫效应通常与取向偏振有关。
什么是谐振效应？
谐振效应是指当一个物体受到周期性外力作用时，如果与该外力频率相同或接近，物体会出现共振现象，振幅会显著增大的现象。下面我将详细解释谐振效应的原理和特点。
谐振效应原理
弛豫效应是指的是在某一个渐变物理过程中，从某一个状态逐渐地恢复到平衡态的过程。
取向 (偶极子) 偏振
分子是由多个原子组成，这些原子会共享一个或多个电子。电子的重新排列可能导致电荷分布失衡，形成永久性偶极子矩。在没有电场作用的条件下，这些力矩的方向是随机的，不存在偏振。电场 E 将在电偶极子上施加扭矩 T，该偶极子将旋转到与电场方向对齐，导致取向偏振发生 (图 8)。如果电场方向改变，扭矩也将随之改变。
偶极子取向过程中产生的摩擦将会导致电介质损耗。偶极子旋转会导致 ε r' 和 ε r" 同时在弛豫频率上发生变化 (通常是在微波范围内发生)。我们前面提到过，水是一种具有强烈取向偏振的物质。
电子和原子偏振
当电场推动原子核相对于周边电子发生位移时，中性原子中会发生电子偏振。当相邻的正离子和负离子在电场的作用下发生 "伸展" 时，会发生原子偏振。对于许多干性固体，尽管实际谐振是在更高频率上发生，但是绝大部分偏振机理都处于微波频率上。在红外和可见光频率范围内，必须将电子沿轨道旋转的惯性考虑在内。原子可以用振荡器模型来描述，其具有类似于机械弹簧和质量系统的阻尼效应 (图 7)。在除谐振频率之外的其他频率上，振动幅度将非常小。电子和原子机理远远小于谐振，在 ε r' 中只占极小部分且恒定不变，几乎是无损的。谐振频率通过谐振响应 ε r' 和最大吸收峰值 ε r" 来识别。在谐振频率以上，这些机理的作用将消失殆尽。
足以使偶极子能够跟上电场的变化。由于偏振能够完全形成，所以损耗 ( ε r" ) 与频率直接成正比 (图 9)。随着频率的增加，ε r" 会连续增加，但是受偶极子对齐和电场之间相位滞后的影响，储存电能 ( ε r' ) 开始减少。在弛豫频率以上的频率上，由于电场交替过快而无法影响偶极子的旋转，取向偏振消失，ε r" 和 ε r' 将会同时下降。
德拜关系式
具有单一弛豫时间常数的材料通过徳拜关系式进行建模，它由频率决定，在介电常数中表现为特征响应 (图 9)。ε r' 是高于和低于弛豫的常数，在弛豫频率 (22 GHz) 附近发生跳变。另外，ε r" 稍高于和低于弛豫，在弛豫频率上的跳变区域中达到峰值。
在计算以上曲线时，介电常数的静态 (直流) 值为 ε s = 76.47，介电常数的光 (无穷频率) 值为 ε ∞ = 4.9，弛豫时间 τ = 7.2 ps。
复数介电常数还可以在科尔-科尔图中显示，纵轴表示虚部 ( ε r" )，横轴表示实部( ε r' )，频率作为独立的参数 (图 10)。科尔-科尔图在某种程度上类似于史密斯圆图。具有徳拜关系式所表示的单一弛豫频率的材料，将显示为半圆，圆心位于 ε r" = 0 横轴上，损耗因数峰值位于 1/τ。具有多个弛豫频率的材料将显示为半圆 (对称分布) 或弧形 (不对称分布)，其圆心位于 ε r" = 0 横轴下方。
图 10 中的曲线为半圆，圆心在 x 轴上，半径为
介电常数虚部最大值 ε 'rmax 等于半径。频率在曲线上沿逆时针移动。
离子电导率
测得的材料损耗实际上可以表示为电介质损耗 ( ε rd")和电导率 (s) 的函数。
当电荷在原子、分子、固体或液体的结构中受到区域限制，将发生电子、原子和取向偏振。材料中还含有电荷载流子，当施加低频电场时，电荷载流子可以在材料中进行迁移。当这些电荷的迁移运动受到阻碍时，就会发生界面或空间电荷偏振。电荷可以在材料界面中被捕获。当电荷不能在电极上自由放电或进行替换时，其运动也有可能受到阻碍。这些电荷的积聚导致的场失真会增加材料的总体电容，表现为 ε r' 的增加。
在低频范围内，材料混合物在彼此不接触 (由非导电区隔离) 的导电区内会表现出麦克斯韦-瓦格纳效应。如果电荷层非常薄且远远小于离子尺寸，那么电荷会独立地与临近粒子上的电荷发生响应。在低频范围内，电荷有时间在导电区的边界上积聚，导致 ε r' 增加。但在高频范围内，电荷没有时间进行积聚，由于电荷的位移与导电区的尺寸相比非常小，所以不会发生偏振。随着频率的增加，ε r' 会减小，损耗表现出与常规离子电导率相同的 1/f 斜率。
在这个低频范围内还可能发生许多其他介电机理，使介电常数发生明显变化。例如，如果电荷层在厚度上接近或超过粒子尺寸，那么就会发生胶状悬浮。此时，由于响应受到临近粒子电荷分布的影响，所以麦克斯韦-瓦格纳效应不再适用。
是德科技材料介电常数和导磁率常用测试方案
是德科技可以提供用于材料介电特性/磁导率测量的全套解决方案，包括介电常数测试仪表、夹具及测量分析软件。介电常数测试主要方法有传输线法、自由空间法、谐振腔法、同轴探针、弓形反射法和平行板法等。
一、介电常数测试同轴探针法
对于以上提到的这类特殊材料，是德科技的同轴探针法是专门针对表面光滑的块状固体材料、液体材料、粉末及生物组织等半固体材料的介电特性参数测试而设计。
同轴探针法利用开路式的同轴探头，将其浸入到液体、生物组织或者接触光滑固体平面，将高频信号通过探头入射到被测材料，此时探头接收到的由被测材料反射的信号（反射特性S11）将会因为材料的介电常数而发生变化，如下图1所示。利用这种对应关系，通过网络分析仪测得S11就可以计算出被测材料的介电常数与损耗角正切等参数。
介电常数测试同轴探针法的基本原理
同轴探针法主要有三种，如下图2所示，分别是高温探头（能够在–40°C至+200°C的范围内测试材料的介电特性）、高性能探头（频率范围高达50GHz）和纤细探头（可用于方便插入材料内部的情况使用）。其中高温探头如果配合阻抗分析仪E4991B，低频可以拓展到10MHz。
同轴探针法的主要特性如下：
同轴探针法的种类包括高温探头，高性能探头和细长探头。
对表面平整的固体、液体以及半固体材料的介电特性测试，我们推荐使用同轴探头法：
同轴探头法具有很宽的频率测试范围；
易于使用，只需压在固体材料表面或浸没在液体中即可；
对被测材料无破坏。
当然，该方法对被测材料厚度有一定的要求，不合适介电损耗tanδ太小的材料，且不能测试磁性材料。
当使用阻抗测量仪器测量介电常数时，通常采用平行板法。
平行板电容法将被测材料置于平行板电极之间，形成一个电容器，通过测试电容值计算出介电常数。应用该方法的典型测量系统由LCR表或阻抗分析仪构成。该方法最适合对薄膜或液体进行精确的低频测量。
图4 显示了平行板法的概图。 平行板法在ASTM D150 标准中又称为三端子法，其原理是通过在两个电极之间插 入一个材料或液体薄片组成一个电容器， (注: 在本文以下部分中，被测材料无论是 固体还是液体均用 MUT 表示。) 然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。在 实际测试装置中，两个电极配备在夹持介电材料的测试夹具上。阻抗测量仪器将测量电容 (C) 和耗散 (D) 的矢量分量，然后由软件程序计算出介电常数和损耗角正切。
图 5 显示了实际测量中的电场流动。当简单地测量两个电极之间的介电材料时， 在电极边缘会产生杂散电容或边缘电容， 从而使得测得的介电材料电容值比实际值 大。边缘电容会导致电流流经介电材料和边缘电容器，从而产生测量误差。 使用保护电极，可以消除边缘电容所导致的测量误差。保护电极会吸收边缘的电场，所以在电极之间测得的电容只是由流经介电材料的电流形成，这样便可以获得准确的测量结果。当结合使用主电极和保护电极时，主电极称为被保护电极 (guarded electrode)。
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”WPT无线充电系统中使用的元器件、测量要求，以及对应的网络分析仪解决方案。“
三、介电常数测试谐振腔法测试介电特性
谐振腔测试法使用网络分析仪来测量谐振频率和谐振腔体夹具的Q值，在测试开始时是空白设置，随后加载被测样品。当已知样品的体积和谐振腔的其他参数时，通过这些测量来计算介电常数。
谐振腔法原理
谐振腔体有比较高的Q值，可在特定频率上发生谐振。将一片材料样品插入到腔体中，会改变腔体的谐振频率(f)和品质因数(Q)。根据这些测得的参数，可以计算出材料在某一频率上的复数介电常数。典型的测量系统由网络分析仪、谐振腔体夹具以及计算软件组成。
分离介质谐振腔法方案
四、介电常数测试电感测量法测试磁导率
具体操作: 在MUT上缠绕若干条导线，并测量导线两端的电感。Keysight 16454A 磁性材料测试夹具可为单匝电感器提供理想结构，在插入环形磁芯时不会出现磁漏。
1、对材料要求：环形磁芯结构;
2、覆盖频率：1 kHz 至 1 GHz;
3、测试主机：Keysight E4990A、E4980A/AL;
4、测试软件：N1500A-006;
5、夹具：16454A;
6、谐振腔法优点：精度高可达±1%、操作简单;
7、谐振腔法缺点：测试频率低、仅测试磁导率;
五. 介电常数测试传输线法原理
传输线法需要将材料置于一部分封闭的传输线内部。 线路通常是一段矩形波导或同轴空气线。介电常数和磁导率根据反射信号(S11)和发射信号(S21)的测量结果计算得出。
传输线法的特点
宽带
最低频率受到实际样品长度的限制
有限的低损耗分辨率(取决于样品长度)
可测量磁性材料
使用波导夹具时测量各向异性材料
自由空间法使用天线将微波能量聚焦在或穿透过材料厚板或薄板。 这种方法不需要接触材料，适用于在高温和恶劣环境中对材料进行测试。下图显示了两种典型的自由空间测量装置: S参数配置(上方)和NRL弧形框(下方)。
自由空间法的特点
如果你想做77GHz频段汽车雷达的材料介电特性测试，自由空间法会是一种比较合适的宽频段测试方法。这套系统是Keysight的毫米波网络分析仪N5290A，覆盖频率范围是900Hz-110GHz，配合W波段75GHz-110GHz的同轴波导喇叭天线，以及准光学的测试平台搭建而成。
在N1500A软件自由空间法的使用界面，你可以进行参数设置，校准，最终可以测试得到如图所示的汽车雷达天线罩的介电常数数值。
这是自由空间法的扩展，通过专用的夹具将波导传输线和自由空间法结合起来，从而实现从45GHz-1.1THz频段的介电常数测试。
相对于自由空间法来说，该方法使用比较简单。比如拿W波段75GHz-110GHz举例来说，可以采用PNA或者PNA-X网络分析仪，然后配置两个W波段扩频模块，做直连方式的毫米波扩展；最后配合N1500A软件和专用的侧测试夹具就可以实现W波段材料介电常数测试。
该方法对样品的要求也非常容易实现，秩序需要被测样品是平行板即可，尺寸比波导口稍大就可以。
前面介绍的毫米波频段材料介电常数的测试方案都不适合用于低损耗材料的测试，但是在毫米波应用中，信号频率的提高意味着波长的变小，从而会面临更多功率和损耗的问题，这就更希望使用低损耗的介电材料。
这里我们最新有一种平衡圆柱介质谐振腔的方法可以用于10GHz-110GHz的低损耗材料的介电特性测试。这是一种使用高阶TM0m0的多频测试方法，通过测试不同谐振频点的频率和Q值，从而获得材料多个频点的介电常数数值，可以测量的损耗值在10-2到10-4之间。
同时，该方法对样品的制备要求也很简单，平板材料，直径在30mm-50mm之间，厚度在0.1mm-1mm，推荐使用0.5mm。
•宽频率范围10 – 110 GHz；
•适用于平坦和光滑的塑料薄片或基片
上面就是配合Keysight毫米波网络分析仪，测试某材料从10GHz-110GHz的介电常数和损耗因子。
参考指南 - 物理常数
Source: Taylor, John R. and Chris D. Zafiratos. Modern Physics for Scientists and Engineers
是德科技 www.keysight.com.cn
