復(fù)介電常數(shù)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(zhǔn)確地知道介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)。本文介紹一套介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測量系統(tǒng)軟件，它主要依據(jù)矩形腔微擾法對介質(zhì)介電常數(shù)進(jìn)行測量。該方法是測量復(fù)介電常數(shù)的一種常用方法，其具有計算簡便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。該測試系統(tǒng)采用基于GPIB總線的虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為硬件平臺，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中集成了帶有GPIB接口的實(shí)際測量儀器，能夠保證系統(tǒng)具有很高的測量精度。軟件開發(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言編程于一體，其界面友好，操作簡便，可大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。
1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
該測試系統(tǒng)采用LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境，為使自動測試軟件具有良好的儀器擴(kuò)展性，便于升級，采用模塊化編程風(fēng)格，使功能程序與驅(qū)動程序相對獨(dú)立。功能程序是一個包括多個子程序模塊的可執(zhí)行文件，它通過調(diào)用儀器驅(qū)動程序完成對儀器的控制，并協(xié)調(diào)儀器間的工作，以完成滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的測試任務(wù)，同時提供與用戶交互的友好界面，完成數(shù)據(jù)處理。根據(jù)以上思路可得流程圖，如圖1所示。
首先，對測試系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要包括測量頻段的選定、測量點(diǎn)數(shù)的設(shè)定、通道的選擇等。然后，通過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(fù)載時的諧振頻率fd和Qd，再利用這兩組數(shù)據(jù)，根據(jù)計算公式和樣品尺寸及腔體尺寸計算出相對介電常數(shù)和損耗正切角。
1．1 校準(zhǔn)模塊
該校準(zhǔn)模塊分為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)兩個部分。標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)采用SLOT法，即短路器、開路器、匹配負(fù)載及直通法。用戶只要根據(jù)軟件的提示在矢網(wǎng)的兩端口依次接人開路器、短路器、匹配負(fù)載，最后直通，即可完成標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)采用的是STL法，即短路板、精密波導(dǎo)、直通法。非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)后，可以保存校準(zhǔn)文件，下次測量的時候，可以直接導(dǎo)人校準(zhǔn)文件而不需要再進(jìn)行手動校準(zhǔn)。經(jīng)驗證，該校準(zhǔn)基本可以達(dá)到要求。
1．2 矢網(wǎng)控制模塊
計算機(jī)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(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)、命令簡單，有專為儀器控制設(shè)計的接口信號和牢固的接插件，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1．5 Mb／s，完全可以滿足用戶的要求。使用時只需要安裝包含VISA庫函數(shù)的驅(qū)動軟件即可以直接調(diào)用使用相對簡單的VISA標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，再配合相應(yīng)的指令即可控制儀器。目前，通過對HP8753ES網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制，軟件運(yùn)行良好，如圖2所示。
1．3 計算模塊
該測試系統(tǒng)采用的是利用微擾法對介質(zhì)介電常數(shù)進(jìn)行測量，該方法具有測量簡便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)微擾理論，有：
式中：εr'和εr"分別為介電常數(shù)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(shù)；σ為電導(dǎo)率；介質(zhì)桿的體積Vs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于腔體的體積V0。
根據(jù)以上理論，該測量系統(tǒng)的計算過程分為Q值計算、相對介電常數(shù)計算、損耗角正切計算三部分。對于給定的測量系統(tǒng)，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(shè)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(shù)分辨率的影響，使f0和微擾后頻率fs的測量出現(xiàn)誤差，也即給△f帶來了誤差。
2 測量結(jié)果
在常溫條件下，對實(shí)驗室的一些樣品測量結(jié)果如表1所示(參考值指文獻(xiàn)[10]中的值)。
從表中可以看出，測出的結(jié)果基本與標(biāo)稱值吻合。
3 誤差分析
該測量系統(tǒng)的誤差主要分為兩部分：校準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差和測試系統(tǒng)的誤差。
校準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差主要來自于以下幾個方面：校準(zhǔn)波導(dǎo)的反射沒有被考慮；雖然校準(zhǔn)波導(dǎo)的反射很小，但是反射的部分會在校準(zhǔn)過程中加入到附加網(wǎng)絡(luò)中去，而這部分誤差在測量反射參數(shù)時會產(chǎn)生影響，尤其當(dāng)被測件的反射比較小時；波導(dǎo)校準(zhǔn)和測量過程中，為了操作方便，同時也為了保護(hù)儀器，在每次連接波導(dǎo)時，總是將同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換從同軸電纜上取下，這就會造成每次重新連接時，存在一定的復(fù)位誤差。
測試系統(tǒng)的誤差主要體現(xiàn)在測量腔體的尺寸誤差和讀數(shù)分辨率的影響。另外，不能完全滿足微擾條件而帶來的非線性問題也是誤差的一個主要來源。
4 結(jié)語
該測試系統(tǒng)完成了利用微擾法對介質(zhì)介電常數(shù)的自動測試，校準(zhǔn)測試速度快，具有可擴(kuò)展性，二次開發(fā)性強(qiáng)。同時，該自動測試的設(shè)計原理及技術(shù)能方便地運(yùn)用于其他測試項目，解決手動測試中存在的問題，極大地提高了測試的質(zhì)量和效率。