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电磁场是宇宙万物间联系与作用的基本形式之一。它看不见、摸不到,但它却充盈在宇宙的宏观和微观世界之中,与大到星体,小到原子、离子和分子结构紧密联系,是表征物质特性的重要指标。
从电磁角度来看,物质分为导体、绝缘体和半导体。人们普遍认为导体、半导体和电磁相关,其很容易用电流、电压、电导、阻抗...等多种概念进行描述,用于进行物质间特性的区分和相关规律总结(材料学研究的目的和本质)。但人们忽略电磁特性的物理本质,其实绝缘体也和电磁紧密联系,可以用“介电特性”进行其电磁特性的描述。介质中,由于原子核紧紧抓住电子不放,所以介质在电场中无法像导体那样,通过“借贷”电子来实现电流的传导。但是,介质中的原子核和电子会在外电场作用下发生一定的“结构”形变或离子集聚,从而在介质内部形成反向电场,用于削弱外电场的作用,这样的“反抗”特性(没有压迫就没有反抗),我们称为介电特性。介电特性是描述非导体(介质)的重要电磁指标,为诸如农产品无损检测等研究提供了自动化测量的可能。
矢量网络分析仪是研究介电特性的重要仪器,很多论文通过商业夹具进行了材料的介电测量,在借鉴Debye模型和混合介电理论的基础上,得出单一材料介电模型和混合材料介电模型。有的则以自制夹具进行介电测量,然后探讨了介电实部和虚部的影响因素及变化规律。这些研究中,均将矢量网络分析仪测量结果与材料介电特性进行了直接联系,但均忽略了矢网测量值的真正表达含义,造成相关研究的不确定性。
矢网是测量领域的“航天飞机”。善待好了,它准确、给力,善待不好(校准失误、电缆移动、夹具未去嵌入、夹具制作粗糙等),它就会因一个小“焊点”而闹脾气,造成测试“任务失败”。因此,在介电研究中,矢网数据测量的准确性决定了介电特性的研究正确性。所以,在介电测量中, 首先应将材料当做一个元件,应该先研究这个元件与测量夹具间的相互作用,将这个“元件”的电学领域的“阻抗特性”搞清楚,然后才能将其阻抗特性影响因素与介电理论结合起来进行研究, 看看材料阻抗特性中的电阻、阻抗与复介电常数的实部和虚部有什么关系,有哪些因素影响了其实部和虚部的变化,这样的介电研究结果才是可信的。
图中是测量夹具对介电测量的影响案例。上图为实际测量值,下图为被测材料的真实值。大家看看,如果用上下不同图中的S11进行介电计算, 其差别一定是非常大的。
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