波导法测量介电常数的误差来源

摘要介质介电常数描述了电磁波与介质的相互作用及变化，为了划分不同介质，提出了采用介电常数来划分不同介质的的方法。本文介绍了介电常数的基本知识及测量方法，介绍了实验室的几种测量方法：时域反射法（TDR）、空间波法、同轴线法、谐振环法，为实验测量提供参考。

关键词介电常数空间波同轴线

中图分类号：TB30文献标识码：A

1介电常数的基本概念丑＝（ercos0一√酗in20）／（￡fcos0＋x／6，一sin2口）（2．2）介质在外加电场会产生感应电荷而削弱电场，原外加电上式中￡r为目标体相对介电常数且汽，’吒r“，＆为垂直极场（真空中）与介质中电场比值即为介电常数。静电场中电通化反射系数，Ro为水平极化反射系数。

量密度D见式（1．1）：若介电常数满足f．i￡，”／（￡．sin2e）l＜l，令P＝√0，一sin20．贝lJ

D＝eoE＋P（1．1）由上式的Ro和气可推导出公式（2．3）、（2．4）：

D＝￡0E（1十匕）＝eoEe，＝eE（1．2）IR◇12＝［（cos0－P）2＋02／4P2／［（cose＋P）2＋02／4P2（2－3）其中eo＝0．8854x10。11F／m为自由空间介电常数，P为介质

的极化强度，￡r为相对介电常数。各项异性电介质相对介电常

数与电场方向有关并影响电通量密度D；各项同性的电介质I＆12———————j竽一（￡）cosO－P）＋￡“2［杀亍一cosO］2（2．4）（d，cosO＋P2）＋￡”2［杀i＋COSO］2

中没有影响；高频时由麦克斯韦方程组中的磁场旋度方程式由公式（2．3）、（2．4）中可知，目标体的介电常数与垂直极（1．3）可知介质介电常数是复数。化、水平极化反射系数以及观测角之间的关系，测得这些参数

VH＝crE＋jo＆’．j￡”）E＝jo［e’－j（￡“＋詈）E（1．3）就可以通过反演求得介电常数。

2＿3同轴线法

可知等效介电常数见式（1．4）：同轴线法是通过反射系数和传播常数得到介电常数的。酽e’．j（e“－生）（1．4）同轴线传感器由两根同轴圆导体组成，电磁波可通过多种模介质产生的损耗由介电常数的虚部表示，损耗正切由虚式传输，选择简单的TEM波作为电磁波传输模式，可以通过部和实部定义见式（1．5）：同轴探头和反射计测量出材料的反射系数得到介电常数，也

tan6号（1．5）可通过电磁波在同轴线中传输的传播常数计算出介电常数。

传播常数lr由公式（2．5）、（2．6）、（2．7）得到，其中Ⅱ是衰减因子，B

由上式可知，介质的介电常数不仅能反应电磁波的损耗是相位因子。

又能反应电磁波的存储作用。（2．5）

2介电常数测量方法刊（｜）√互孑气勺p

介电常数测量方法有传输线法、同轴线法、波导法、探针萨（皇学）÷｛l＋（．＝冬）：÷－1）｛，（2．6）法、谐振腔法和空间波法。实验室测量方法有时域反射法p2（竺笋）如＋（去）2吉＋1）｛（2．7）（1I）R）、空间波法、探针法、同轴线法等。传输线法简便易行，2．4谐振环法

但在tan8l较小时，测得的介电常数误差较大；探针法使用结构谐振环法是基于传输线理论得到介电常数变化的方法。简单的单极振子，通过传输、反射的测量得出谐振参数，反演谐振环法可以通过反射信号和发送通过介质的信号来测量介得到介电常数；谐振腔法采用高品质因数的谐振腔体测量低电常数。发送信号和接收反射信号这两种测量方法相比，发损介质，技术复杂，不易操作；空间波法通过测量地面目标体送信号测得介电常数变化更灵敏。谐振传感器的测量精度相的微波反射系数，再通过反射系数来求得复介电常数。对较高，但与待测媒质的导电性密切相关。

2．1时域反射法3总结

时域反射法（TDR）类似于雷达系统，首先向待测物发射本文介绍了介电常数的基本概念及几种测量方法，并对电磁波，通过记录分析反射波形来确定待测物的距离，进而判这几种常见的方法进行了分析和比较。材料在制备的过程中断待测物特性。TDR信号中包含介电常数和电导率信息，一会受压力、湿度、密度的影响从而改变材料的介电特性，所以般被测物体的阻抗是连续的，信号没有反射，如果有阻抗变化，测量时要根据相应材料的介电特性采用不同的测量方法。就会有信号反射回来，频率范围从l兆赫到几兆赫。时域反

基于液芯波导原理的微流控芯片

长光程光度检测系统

杜文斌，方　群，方肇伦

(浙江大学化学系，微分析系统研究所，杭州310028)

摘要　提出了一种基于液芯波导(L iquid core w aveguide,L C W)原理的微流控芯片吸收光度检测系统通过

芯片与外界接口技术实现液芯波导管与芯片的耦合，建立了芯片上长光程(毫米至厘米级)吸收光度检测池

采用邻菲　啉2铁( )显色体系验证系统分析性能，以55c m外覆T efl on A F液芯波导管作为检测池(检测池体积240nL)时，芯片系统的检测线性范围为003～50Λmol L，对邻菲　啉2铁( )配合物的检出限为

8nmol L，检测池有效光程达17c m，分析精度R S D(n=5)为08%

卫星天线角度的调节通常根据所需连接的卫星位置和卫星信号强度来确定。下面是详细的调整步骤：1确定所需连接的卫星位置，以及卫星信号强度。可以查看卫星定位工具或卫星信号强度测量仪查看信号强度。2确定卫星天线的朝向。可以使用指南针或卫星位置参数指示器来确定。3调整天线的水平角度，让其指向正确的位置。4调整天线的垂直角度，确保天线指向卫星高度角度。5根据信号强度调整天线的精细角度，使其与卫星信号对齐。6完成调整后，锁定卫星天线，并检查是否正常工作。注意事项：在进行卫星天线的角度调整时，应注意安全，避免天线倒塌或人员受伤。建议进行调整时有专业人员或指导。

阻抗的概念被很多PCB设计者忽略。在高频电路中，PCB的设计和阻抗匹配尤为重要，以下逐条阐述：

PCB板的阻抗由走线宽度W，介电质层厚度H还有离铺地层距离S来决定。当然还有介电质常数e。

在高频电路设计中（300M～10GHz），为减小阻抗失配，一般要求PCB阻抗为Z=50欧姆（低频电路中阻抗基本可以忽略了）。常用走线类型为微带线Microstrip和共面波导CPW。

阻抗的概念被很多PCB设计者忽略，很多情况下，只是简单的互联。这样显然不是最优的。最传输线来说，阻抗Z=sqrt(L/C)其中L为分布电感，C为分布电容。

那么问题1：阻抗线有无参考层阻抗如何变化？

参考层移除后，分布电容C减小，L加大，Z增加。而且由于参考地层的移除，导致电磁干扰增加，因为E/H场线失去了参考层的限制。对电路的影响就是隔离变差，阻抗》50欧姆，失配严重。

那么问题2：生产PCB时少转弯的阻抗线的阻抗更容易控制稳定性？

少转弯不是为了控制稳定性，因为工艺的误差是一定的，对金属铜线蚀刻的误差不变。而是因为每一次转弯都会引起阻抗Z的少量变化，转弯多了，损耗加大，失配也增加。所以高频应用中，走线要尽量短，并且减少走线层的转换。信号每一次经过过孔都会引起损耗和失配。信号乱走还会引起共振和激发共面波导的高阶模，进一步导致信号损失。如果转弯不可避免，尽量采用以下走线方式，减小损耗。

光波导的散射分为两种类型：体散射和界面散射。体散射是由于光波导体材料的缺陷造成的，如空洞、杂质原子和晶格缺陷等。界面散射是由于光波导芯层和包层界面的粗糙度引起的。体散射在硅材料中一般可以忽略。但如离子注入等工艺引入较多的晶格缺陷时，这类损耗也不可忽视。体散射损耗与缺陷数目、传输波长尺寸、沿着光波导的相关长度等参数有关。界面散射损耗研究广泛，相关的计算方法也有不少，我们引入一种比较简单的方法，即Tien等人在1971年提出来的基于表面功率镜面反射的理论囵。条件是相关长度较长，这是在大多数情况下都比较合理的假设。

　　如果入射光功率为pj，镜面反射的功率为pr，则

　　式中，σ是表面粗糙度的均方差；σ1是光波导的传输角；n1是芯层的折射率。考虑通过一段距离的总功率流和光在两表面的损耗，Tien推出了界面损耗的表达式为

　　式中，σ2是上包层的粗糙度方差；σ2是下包层的粗糙度方差；kyu是上包层的衰减常数；kyl是下包层的衰减常数；尼是光波导长度。

　　还有一种较常用的表面散射损耗计算方法[7]：

　　式中，k只与表面粗糙程度有关，θ1代表模角，与模阶数有关，Dv是光波导的有效厚度；可见表面损耗与表面粗糙程度、模阶数成正比，而与光波导有效宽度成反比。对于小截面光波导，在相同界面粗糙程度下，光波导有效宽度较小，光场与光波导侧壁相互作用增强，导致散射损耗值很大，占据主导地位，所以这种光波导对刻蚀工艺有更高要求。

　　目前，已经有一些减小光波导侧壁粗糙度的方法被提出，并取得了较好的效果，如氧化物平滑技术，即先对硅进行热氧化然后再将其腐蚀去除。这无疑会改善光波导侧壁的粗糙度，但同时也会使光波导变窄，不过这个问题可以通过适当调整模版图形设计来改善。

　　Ming-Chang MLee等人网采用氢气热退火工艺使得硅光波导侧壁粗糙度减小到026 nm，在近红外波长下传输损耗小于1 dB/cm，并成功制作了宽05μm、高02μm的低损耗条光波导。

　　Daniel KSparacin等人阴采用湿化学氧化平滑工艺，使得光波导损耗在1550 nm波长时减小到19 dB/cm，这种工艺较前面提到的氧化物平滑工艺更能保持光波导的完整性（前者使光波导截面尺寸发生较大改变）。

　　另外，因为脊形光波导光模与光波导侧壁的作用较小，所以也可以通过制作截面尺寸稍大的脊形光波导来进行缓解。LVivien等人［10］利用SOl制作了低损耗脊形光波导，光波导宽度为1 gm夕脊形光波导由200 nm的硅刻掉30 nm形成，当输入光波长为131μm时的传输损耗可低至05dB/cm，利用这种光波导等成功地制作了长程损耗为26 dB的光树形分路器。

谐振箱就是谐振器。

就是指产生谐振频率的电子元件，常用的分为石英晶体谐振器和陶瓷谐振器。产生频率的作用，具有稳定，抗干扰性能良好的特点，广泛应用于各种电子产品中。石英晶体谐振器的频率精度要高于陶瓷谐振器，但成本也比陶瓷谐振器高。谐振器主要起频率控制的作用，所有电子产品涉及频率的发射和接收都需要谐振器。谐振器的类型按照外形可以分为直插式和贴片式两种。

最基本的谐振器件是介质谐振器。要想了解介质谐振器的工作原理首先要了解金属波导与谐振腔。

金属波导的一般特性

传输电磁能量或电磁信号的途径可分为两类，一类是电磁波在空间或大气中的传播，另一类是电磁波沿波导系统的传播。人类最初应用的电磁波导波系统是双线传输线，双线传输线主要用在频率较低的场合，当使用频率逐步提高时，双线传输线的传输损耗以及辐射损耗急剧的增加，为了克服辐射损耗，采用了同轴线结构。但是同轴线中所采用的模式仍然是TEM 模，必须有内外两根导体，到了频率更高时内导体的损耗变得很严重。在微波频段即分米波段和厘米波段人们发现，用一根中空的金属管来传输电磁波是可行的和方便的。在空管中不可能传播 TEM模式，因此采用 TE 模或 TM 模，这就是金属波导或称为波导管。到了短毫米波段及亚微毫米波段金属波导的截面积尺寸太小，加工不易，因此采用介质波导作为传输系统。在光波段使用光学纤维和光波导也是介质波导。 光学纤维简称光纤已成为传输电磁信号的主要手段。为了近似地实现短路面的边界条件可以用具有高导电率的导体即金属构成的边界面，这样就形成金属波导或称波导管。金属波导可以由一根波导管构成，也可以由多根波导管构成。略去导体表面损耗时，可将边界看作短路面。波导波的特点是存在一个截止频率，当工作频率高于截止频率时，纵方向为快行波，横方向为驻波，工作频率低于截止频率时，纵方向成为衰减场或渐消场，横方向仍然为驻波。金属波导的传播特性为ωc=T/(με)1/2=cT/(με)1/2或Fc= cT/2∏(με)1/2临界状态下，电磁波在介质中的波长就是横向波长，即λT=2∏/T=1/fc(με)1/2相应的临界状态下真空中的波长称为临界波长。当电磁波的角频率大于波长的临界角频率时，电磁波可在波导中传播，反之，波导是截止的。临界角波数决定于波导的截面形状和尺寸。

金属波导的波阻抗

金属壁是由良导体构成而非理想导体，因此电磁波在波导中传播时一定会有功率损耗，从而造成电磁波沿传播方向上的衰减。其衰减常数为： а=1/4σδH2dL/P； 式中，L 为波导的横截面的闭合边界线；P 为波导中传输的功率流，σ为波导壁的导电率；δ为波导壁材料中电磁波的趋肤深度。

完全被短路面或开路面包围的封闭电磁系统就是谐振系统。通常用高导电率的导体即金属近似地实现短路面的边界条件，这就是金属壁的谐振腔。当略去腔壁损耗，即认为腔壁由理想导体构成，同时腔内充满不导电的无损媒质时，就是理想的谐振腔。 在描述谐振腔之前先做如下定义；矩形波导和矩形谐振腔的边界面与矩坐标系统的做表面重合。谐振腔的高度为b、宽度为a。当矩形波导中a>b时，TE10模的临界角波数最小，即临界角频率最低，因此TE10模为最低模。当ba/2 时，TE01模为次低模。 当矩形波导中 a=b 时，称为正方形截面波导，此时 TE10 模与 TE01 模临界角频率相同，此时的波导单模的传输带宽为零。因此正方形的波导没有实际用途。圆柱坐标系的波导与谐振腔　研究边界面与圆柱坐标系统的坐标面重合的波导和谐振腔，他们包括<a href="#">圆波导，同轴线，圆柱腔，同轴腔，扇形截面波导与谐振腔等柱形系统。也包括径向线，喇叭波导等非柱形波导系统。 柱形波导的临界波长λ为：λcTM= 2∏/TTM(με)。

手机数据线通用表

该仪器主要是对手机下载MP3和MPEG4，适用于国外品牌机、韩台机、国产机、各种OEM贴牌机。

康佳M929 : M929/M939MA26/A26M/kc37

天阔889 : 天阔889/T698/K891/K892/K893/S838/三兴S608+/S508+/托普968/ZTC318/ZTC768/

TP W699/科键K328/飞天龙908/采星A8/S998/S988/三洋SE708/桑达S282C/绅士188/

三新E808+/S808+/S809+/三盟S338/S308/康佳C926/联想I815/I816/CECTQ500(MP3)

天时达A607/T608+/ZTCT100B/318//BOWAYW699/TOV60B/TP V80/V60A/T308/ZCT828/

三新S858

高科V6 : 高科SG2260/V6/吉事达ES802/CECTS500/思玛特S800/S802/科键K515

CECT689 : CECT689A/Q618/Q638/U8810/V678/GS860/联想I688/I816/I815/奇泰K980(MP4)/K970/

托普S518/S598/HN838/E9/科键K338/数码龙S800/SamsunyE708(仿三星E708)/CECV668

(MP3)乐天L118/高科S710(MT)/S283/S696/SUNCORP S558

首爱999 : 首爱999/998/S1000/888/三荣S368/MY TOPGN528/TP E9+/TP E208/三龙S468/托普T308/

ZTC868/S558/S838/S282C/高科S6990/CECT S560/616M/S656/616M+/A606/T590/

U8800-MP3- U8810-MP3-金立GN326/V6/双星S458/三荣S128/CECT i658/E668

波导M10 : 波导M10/M08/M09 各种手机还插口

波导D680 : 波导D690

金色年代

E708+ : 金色年代E708+

金立668 : 金立668

　　以上机型操作方法：将手机数据线接入手机，手机显示是否进入USB模式，选“是”手机关机，进

入USB模式，电脑发现新硬件，选自动安装，安装成功后，系统多出一U盘(建议在WIN2000/XP下使用)

SAM D500 : SAMSUNG CDMA 系列/D508/E738/E340/E358/E640/D608/

SAM E720 : P738/E728/E628

SAM E530 : E538/E568/E888/E530

MOT V3 : V3/E680/MOTO razrv3/V3X/V3C/A732/E680I/A688/E895/E1060/Q/U6/LG G1800

以及与此接口相同的国产杂牌系列手机

G G910 : LG U88u/U8120/U8130/U8138/U8150/U8180/U8330/U8360/U8380/G910/G912/G932/

G282/C3400/KP3400/LP3500/KP4700/LP4400/G262/G832

LG C610 : LG C258/C960/C930/C820/C260/C280/C270

SIEMENS

XX65 : SX1/SIEMENS 65 series/75series

DCU-60 : K750I/K750C/W550I/W550C/W800I/W800C

NOK

CA-53 : 3230/6101/6111/6230I/6260/6280/6630/6680/6681/7610/N70/N90

NEC N8 : E313/N720/N728/A2100/N830/N840/N850/松下MX6/MX7/SA6/SA7/VS2/VS3/VS7

MOT

E398 : V360/A1000/E1000/V635/V980/C975/E398/A630/MPX/POKRE1