材料測試的重要性

每一種材料都有其獨(dú)特的特性。精確的材料測試特性能夠為工程師和科研工作者能提供更有效，精確的材料測試信息，使得我們更了解應(yīng)用的材料，更好地進(jìn)行設(shè)計研究工作。舉個簡單的例子，電路板，PCB板都是由特定的材料，如果我們精確知道索要應(yīng)用的材料的電磁特性，就可以預(yù)先評估電纜上的介質(zhì)損耗；特性阻抗等信息，這些信息對于信號完整性來說是至關(guān)重要的。

不同類型的材料在電子/通信等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛，隨之而來的對這些材料電磁性能參數(shù)的精確表征也是大家經(jīng)常面對的介電常數(shù)測試需求。例如，隨著一些新興的入體式醫(yī)療設(shè)備以及可穿帶設(shè)備的應(yīng)用，對生物組織、相關(guān)液體以及食品類的材料測試提出了更深入的測試要求。

常規(guī)材料測試挑戰(zhàn)

對于這一類材料（生物組織、液體、粉末以及半固體等），通常很難進(jìn)行外形的精確加工，從而配合常規(guī)材料測試夾具進(jìn)行介電特性的測試。所以采用什么樣的測試方法在不影響材料本身物理特性的情況下完成特性表征，成了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域需要面對的主要問題。

介電特性是指物質(zhì)分子中的束縛電荷(只能在分子線度范圍內(nèi)運(yùn)動的電荷)對外加電場的響應(yīng)特性,它主要由相對介電常數(shù)εr'、相對介質(zhì)損耗因數(shù)εr〃、介質(zhì)損耗角正切tanδ和介質(zhì)等效阻抗等參數(shù)來表征。

油和水（純凈的水）都屬絕緣體。但純凈的水的介電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油。拿相對介電常數(shù)來講，水的介電常數(shù)是81，而變壓器油的在3-5之間。一些參考和有機(jī)電介質(zhì)的典型 ε 值為：

介電材料:放在平板電容器中增加電容的材料。

電介質(zhì):在電場作用下能建立極化的物質(zhì)。

感應(yīng)電荷(束縛電荷):在真空平板電容器中嵌入一塊電解質(zhì)加入外電場時，在整機(jī)附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出的負(fù)電荷，負(fù)極板附件的介質(zhì)表面感應(yīng)出的正電荷。

主要應(yīng)用：
在生產(chǎn)收音機(jī)和其他電氣設(shè)備中使用的電容器時使用材料。電路設(shè)計人員常用來比較不同的印刷電路板 (PCB) 材料。此外，還可用于開發(fā)儲能應(yīng)用的材料，例如，聚合物基介電復(fù)合材料非常適合從電子封裝、嵌入式電容器到能量存儲的應(yīng)用。這些復(fù)合材料在加工溫度低的情況下具有高度的柔韌性，并且它們表現(xiàn)出相對高的介電常數(shù)、低介電損耗和高介電強(qiáng)度。

是德科技和您談?wù)劷殡姕y試原理。今天我們將介紹介電常數(shù)是什么意思? (介電常數(shù)英文Permittivity)并討論介電常數(shù)和導(dǎo)磁率兩種介電特性。必須注意，介電常數(shù)和導(dǎo)磁率不是恒定不變的。頻率、溫度、方向、混合、壓力和材料分子結(jié)構(gòu)等因素都可能對它們產(chǎn)生影響，使它們發(fā)生變化。此外，我們還介紹了材料介電常數(shù)和導(dǎo)磁率常用的六種測試方案。在文末還分享了材料測試的最新案例！！！

材料電磁特性測試

材料的電磁特性測試是電子通信應(yīng)用中研究、設(shè)計以及生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié). 或者說基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。材料的電磁特性直接影響了最終產(chǎn)品的性能的高低。材料的電磁特性的測試對于廣大的電子工程師以及廠家都是非常重要的。而我們是德科技在材料測試這方面也擁有這諸多的解決方案。已經(jīng)為客戶推出了非常多的簡單高效，精確的解決方案。那么今天我們就一起來看下我們的關(guān)于材料電磁特性測試的解決方案。

材料的主要一個應(yīng)用是用來進(jìn)行高速或者高頻信號的傳輸，比如制作成微帶線，微帶線的特征阻抗就會直接影響信號的傳輸質(zhì)量，而特征阻抗是和材料的介電常數(shù)直接相關(guān)的。另外像天線或者天線罩，材料的介電常數(shù)會決定其技術(shù)指標(biāo)。

材料的介電常數(shù)會直接影響到微帶傳輸線的特性阻抗，天線的性能以及天線罩的性能。

電子設(shè)備都有EMI測試要求，要求材料能夠提供良好的屏蔽效能

監(jiān)測海水凈化過程中液體的介電常數(shù)變化，可以定量評估凈化水質(zhì)的好壞

醫(yī)療方面，通過人體軟組織介電常數(shù)的變化可以判斷出一個腫瘤是良性還是惡性

5G，新能源汽車以及汽車?yán)走_(dá)等應(yīng)用對介電常數(shù)等測試提出了更高的要求。這些領(lǐng)域技術(shù)的演進(jìn)包括對介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、導(dǎo)電率的需求。我們不僅需要準(zhǔn)確地測量和分析材料的的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，還需要對低損耗材料，高頻材料進(jìn)行電磁特性分析（頻率甚至高達(dá) THz）。

5G，毫米波雷達(dá)，無線充電，食品等都是目前市場材料電磁特性研究的主要方向。客戶需要測量RF和mmWave頻率范圍內(nèi)材料的屬性，以便為新興應(yīng)用設(shè)計模塊，通常這類型的材料的客戶不熟悉RF或uW / mmWave測量方法。國內(nèi)5G主要頒布的頻段是24.75-27.5GHz 37-42.5GHz，這些頻段的大氣損耗相對低，適用于長距離通信。為了滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅髱挘呒壵{(diào)制和MIMO技術(shù)都將應(yīng)用于5G通信。汽車?yán)走_(dá)主要應(yīng)用頻率是 24 GHz和 77 GHz，信號帶寬高達(dá) 4 GHz，對于中短程的 24 GHz雷達(dá)主要用于自動泊車，盲點監(jiān)控，而77 GHz 的遠(yuǎn)程雷達(dá)則應(yīng)用于智能駕駛，對材料的各項指標(biāo)有著嚴(yán)苛的要求。

介電測試原理

介電常數(shù)是什么意思？

材料如果在受到外部電場作用時能夠儲存電能，就稱為 "電介質(zhì)"。

介電常數(shù)描述了材料與外加電場間的相互作用，介電常數(shù)的實部 (ε r‘ ) 表示外部電場有多少電能儲存到材料中。 介電常數(shù)的虛部(ε r“) ， 表示材料中有多少電能耗散到外部電場。同樣磁導(dǎo)率表示的是材料與外加磁場之間的相互作用。

通常我們說的介電常數(shù)都是相對介電常數(shù)，表示相對于真空中介電常數(shù)的數(shù)值。

自由空間介電常數(shù)e0是8.85X10-12

假如我們將物質(zhì)按是否能導(dǎo)電來劃分的話，可以將物質(zhì)分為電導(dǎo)體和電介質(zhì)兩類。電導(dǎo)體中存在著大量可自由移動的帶電粒子(如電子等)，在外加電場的作用下，帶電粒子的定向移動即形成電流。理想的電介質(zhì)中不存在可自由移動的帶電粒子，在外加電場的作用下，電介質(zhì)的表而會形成一些束縛電荷，束縛電荷構(gòu)建起的內(nèi)建電場具有抵抗外加電場的作用。

介電常數(shù)是用于衡量電介質(zhì)儲存電能的性能，它代表了電介質(zhì)的極化程度，也就是對電荷的束縛能力，介電常數(shù)越大，對電荷的束縛能力越強(qiáng)。 它是介質(zhì)的電容率與真空的電容率之比。

材料如果在受到外部電場作用時能夠儲存電能，就稱為 "電介質(zhì)"。

當(dāng)給平行板電容器施加直流電壓時，如果兩板之間存在介電材料，那么可以儲存比沒有介電材料 (真空) 時更多的電荷。介電材料可以通過中和電極上的電荷，使電容器儲存更多電荷，而通常情況下，這些電荷將流向外部電場。介電材料的電容與介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)在平行板電容器上并聯(lián)直流電壓源 v 時 (圖 1)，兩板之間有介電材料的配置可以比沒有介電材料 (真空) 的配置儲存更多的電荷。

圖 1. 平行板電容器, 直流實例

其中，C 和 C0 分別是有和沒有電介質(zhì)時的電容；k ' = ε 'r 是實際介電常數(shù)或介電常數(shù)，A 和 t 分別是電容器平板的面積和間距 (圖 1)。介電材料可以通過中和電極上的電荷，使電容器儲存更多電荷，而通常情況下，這些電荷將流向外部電場。根據(jù)上面的方程式可知，介電材料的電容與介電常數(shù)有關(guān)。如果在同一個電容器上并聯(lián)交流正弦電壓源 (圖 2)，得到的電流將包括充電電流 Ic 和與介電常數(shù)有關(guān)的損耗電流 Il。材料中的損耗可以用與電容器 (C) 并聯(lián)的電導(dǎo) (G) 表示。

圖 2. 平行板電容器, 交流實例

復(fù)數(shù)介電常數(shù) k 由實部 k ' (表示儲存電荷) 和虛部 k " (表示損耗電荷) 組成。

下面的符號可以互換表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)

k = k* = εr = ε*r 。

根據(jù)電磁理論，電位移 (電通量密度) Df 的定義是:

其中，ε = ε* = ε 0 ε r 是絕對介電常數(shù)，ε r 是相對介電常數(shù)，

F/m 是自由空間介電常數(shù)，E 是電場。

介電常數(shù) ( k ) 等于相對介電常數(shù) ( εr )，或絕對介電常數(shù) ( ε?)與自由空間介電常數(shù) (ε0 ) 之比。

介電常數(shù)的實部 ( ε r' ) 表示外部電場有多少電能儲存到材料中。介電常數(shù)的虛部 (ε r " ) 稱為損耗因子，表示材料中有多少電能耗散到外部電場。介電常數(shù)的虛部 ( ε r' ) 始終大于 0，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 ( ε r' )。損耗因子同時包括電介質(zhì)損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。

如果用簡單的矢量圖 (圖 3) 表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)，實部和虛部的相位將會相差 90°。其矢量和與實軸 ( ε r' ) 形成夾角 δ。材料的相對 "損耗" 等于損耗電量與儲存電量的比值。

圖 3. 損耗正切矢量圖

損耗正切或 tan δ 定義為介電常數(shù)的虛部與實部之比。D 表示耗散因子，Q 表示品質(zhì)因數(shù)。損耗正切 tan δ 可以讀成 tan delta、損耗正切角或耗散因子。有時，"品質(zhì)因數(shù)或 Q 因數(shù)" 也用來描述電子微波材料的特性，等于損耗正切的倒數(shù)。對于損耗非常低的材料，tan δ ≈ δ，所以損耗正切可以用角度單位毫弧度或微弧度來表示。