平板介质的微波分裂腔法介电常数测试技术

为实现微波频段平板类介质材料的介电常数的无损测试,研究了分裂式圆柱形谐振腔测试方法。介绍了分裂式圆柱形谐振腔的电磁场分析理论,采用模式匹配技术实现了介质加载条件下腔内电磁场分布的精确求解,得到了腔体谐振频率与材料介电常数之间的准确关系。在理论分析的基础上,制作了空腔谐振频率为10 GHz的分裂式谐振腔,并与前期研制的闭式谐振腔进行对比测试,介电常数实部测量结果相对误差小于1%。与国外同类产品进行对比测试,介电常数实部结果基本一致,损耗角正切测量结果更接近于文献参考值。因此,微波分裂腔法能够实现平板介质板材的无损测量,具有准确度高,使用方便等突出优势,可在微波频段内实现介电常数为1~20,损耗角正切为1×10-3~1×10-5,板材厚度为0.1~2.0 mm的各类平板介质材料介电常数的准确测试。

基于微波透射法的谷物粉相对介电常数检测装置设计

针对谷物属性的快速测量需求,设计了一种小型化的谷物粉相对介电常数快速检测装置。创新性地提出了一种双外差混频结构,并基于自由空间法建立了微波相移量与谷物粉相对介电常数的关系。通过对米粉、大麦粉和糯米粉在4.5 GHz~11.5 GHz频率范围内进行测量,计算出相对介电常数,采用随机森林算法进行种类鉴别。实验结果表明,相对介电常数平均相对误差不超过3.5%,样品预测正确率为96.7%,检测装置具有良好的可重复性和实用性。

超低介电常数的多孔F-pSiCOH薄膜制备及其紫外固化处理

面向高性能集成电路可靠性设计要求之下,开展以硅集成电路(IC)三维集成器件超低介电常数的介电薄膜研究。采用化学气相沉积法制备了一种超低介电常数(k)值的多孔F-pSiCOH薄膜。利用傅里叶变换红外光谱测定了多孔F-pSiCOH薄膜的化学结构和化学键,并探究了紫外线辐射对多孔F-pSiCOH薄膜机械性能的影响。结果表明:纳米孔和氟原子的引入能有效地降低介电常数,使多孔F-SiCOH薄膜的k值为2.15。紫外固化处理增强了多孔F-pSiCOH薄膜的弹性模量,使多孔F-pSiCOH薄膜的弹性模量从4.84GPa增大到5.76GPa,力学性能得到优化。

井下油基泥浆电阻率和介电常数测量方法与测量探头设计

随着油气勘探的发展,油基泥浆应用越来越广泛,适用于油基泥浆环境的电成像仪器也获得了大量应用。油基泥浆电阻率与介电常数对电成像仪器的测量影响很大,需要利用探头附近油基泥浆电阻率和介电常数数据对成像测量结果进行补偿。介绍了一种实时测量井下油基泥浆电阻率与介电常数的方法及其探头的设计,利用发射电极、接收电极及充满在环形间隙的油基泥浆形成同轴圆柱电容器,建立油基泥浆电阻率与电容器等效电阻的定量关系及油基泥浆介电常数与电容的定量关系,从而确定油基泥浆电阻率与介电常数。该技术为补偿油基泥浆对电成像测量数据的影响提供了理论依据和技术支持。

基于分子动力学仿真的混合油中水分子扩散行为及其介电常数研究

绝缘油是油浸式变压器内绝缘的重要组成部分,其绝缘性能对电力系统的稳定运行至关重要。实验研究表明植物油与矿物油共混可有效提升其绝缘性能,但改性机理尚不明确。该文利用分子动力学研究了植物油、矿物油不同共混比例下油中水分子的扩散行为及其介电常数。结果表明:随着植物油占比增加,水分子的扩散系数逐渐降低,抑制了油中“水桥”的形成,提升了混合油的绝缘性能。水分子与混合油组分分子之间相互作用能与氢键计算结果表明,植物油中强极性基团的引入增大了混合油与水分子的相互作用能与氢键数目,抑制了水分子的热运动,导致其扩散系数降低;而随着植物油占比增加,混合油的静态介电常数显著增大,且随着含水量的提高显著上升,这是由于水分子及植物油中强极性基团的引入增大了混合油中参与极化的粒子数目,导致体系介电常数显著增高。综上所述,强极性基团是影响混合油绝缘性能的重要因素,共混时需综合考虑其对水分子扩散行为的抑制及对介电常数的增大效应,以达到提升混合油绝缘性能的目的。

低/超低介电常数聚酰亚胺的研究进展

聚酰亚胺(PI)是综合性能最佳的有机高分子材料之一,被认为是最具潜力的柔性电子器件基材。下一代电子元器件正向低维度、大规模及精细化集成发展,对作为层间绝缘材料的PI提出了更高的要求,而普通芳香族PI介电常数偏高,无法直接应用于微电子工业领域。因此,当前急需开发降低PI材料介电常数的新方法。本文综述了近年来低/超低介电常数PI的相关研究和系统性工作,希望这些综合性归纳能为低、超低介电常数PI的构筑提供新方案,也为PI的加工工艺提供新的视角。

低含水油水两相流等效介电常数模型

电容法测油水两相流含水率在油田的地面油水计量及井中的产出剖面分层测试中都得到广泛应用。持水率(水相体积分数)的测量需要建立油水两相流持水率与传感器电容的关系,为此需要建立混相等效介电常数与持水率的理论模型或经验模型。由于油井采出的地层水以及地面实验室标定所用的自来水在低频和中频时均具有良好导电性,因此,单纯考虑介电性而不考虑导电性会对持水率测量的准确性产生显著影响。基于电介质极化的有效电场理论,在低含水且油水状态为精细泡状流条件下,将水视为良导体,建立了油水两相流等效介电常数模型。按此模型,油水两相流的等效介电常数只取决于持水率和油相介电常数,与水相介电常数以及水相电导率无关,初步实验验证了模型正确。该研究对于油为连续相时油水两相流的含水率传感器的设计和现场应用具有重要意义。

介质管介电常数对大气压Ar冷等离子体射流特性的影响

通过二维流体模型,研究介质管的介电常数对大气压氩气冷等离子体射流放电性质的影响.结果表明,射流在介质管内外具有不同的放电性质.当射流在介质管内时,电离波沿着介质管内表面向管口传播,因而呈现环状结构,其传播速度先增加后减小.介电常数越大,环形结构的半径越小,电子密度越低,射流传播的速度也越小.当射流喷出管口后,射流的传播速度迅速提升,然后减小,介电常数越大,提升越快.随着射流的传播,环状结构不断收缩,最终消失.研究结果对大气压冷等离子体源的设计和优化具有一定的理论指导意义.

基于探地雷达的树木根系相对介电常数估算

【目的】本研究提出一种基于雷达波信号和树木根系参数的估算方法,以实现树木根系相对介电常数的定量估算。【方法】首先,仿真模拟雷达波在不同半径、不同相对介电常数的树木根系下的传播路径,并通过正演分析获得探地雷达图像中双曲线顶点处的A-scan曲线;然后,提取A-scan曲线中与根系相对介电常数关联的目标振幅参数ΔF;最后,结合土壤相对介电常数、根系半径、根系深度,建立相对介电常数估算的数据集。分别基于偏最小二乘回归(PLSR)模型、反向传播(BP)神经网络模型和粒子群优化反向传播(PSO-BP)神经网络建立估算模型,并对比分析这3种模型的估算精度。【结果】(1)在仿真实验中,PSO-BP神经网络估算模型的均方根误差、平均绝对误差分别为0.701、0.255,R2为0.990,各指标均优于PLSR和BP神经网络估算模型。(2)在实地预埋实验中,PSO-BP神经网络估算模型的估算精度均优于PLSR和BP神经网络估算模型,其最大绝对误差和整体平均相对误差分别为3.16和10.88%。【结论】利用本研究提取的目标振幅参数ΔF、土壤相对介电常数、根系半径和根系深度建立的数据集,结合PSO-BP神经网络估算模型,能够实现对树木根系相对介电常数的准确估算。这对于评估树木根系的生长和健康状况具有重要意义。

高介电常数La_(2)O_(3)材料的制备方法及其介电性能研究进展

在众多高介电常数栅介质材料中氧化镧(La_(2)O_(3))因带隙大、热稳定性良好等特点而具有代替传统SiO_(2)栅介质材料的潜力。介绍了La_(2)O_(3)薄膜的制备方法,综述了目前改善La_(2)O_(3)薄膜介电性能的方法并展望了其未来发展前景。

土壤介电常数模型研究综述

【目的】调查影响土壤介电常数的主控因子,归纳分析土壤介电常数模型的研究现状。【方法】从土壤介电理论出发,系统梳理土壤介电常数的主要影响因素,对现有土壤介电常数模型进行分类总结,并对比分析各模型的优势、局限和应用现状及其发展趋势。【结果】国内外不同土壤类型的介电常数主控影响因素各异,且对测试频率的依赖性较大,但能有效反映土壤的水分状态;土壤介电常数模型分为4类:理论模型、半经验理论模型、经验模型和边界模型。【结论】目前针对区域性特殊土类的介电特性及模型构建研究较少;考虑土壤三相组比、矿物成分和微观结构对介电常数的贡献度将有助于提升模型精度,进而拓展基于介电常数测试的土壤理化性质评价分析方面的应用研究。

用于测量材料介电常数的高精度微波传感器

提出了一种用于测量材料介电常数的微波传感器,其特点是成本低、测量精度高。在传统的互补裂环结构上进行优化设计,实现了更大范围的测量区域;并加载了金属通孔结构,将电场限制在测量区域内,达到了更好的测量效果。结果显示传感器的测量灵敏度为2.89%。传感器在空载时谐振频率为2GHz;当样品加载到测量区域时,测量区域的电场将发生变化,从而导致频移。选取了介电常数值为1~10的样品进行了模拟加载试验,得到了介电常数与谐振频率的拟合经验关系式,同时采用5种常见的高频板材对拟合公式进行了验证。结果表明:传感器具有很高的测量精度,整体测量误差为0.8%,证实了利用该传感器测量材料介电常数的可行性。

慢波结构等效介电常数提取方法研究

针对天线和微波器件设计中小型化问题,论文研究了电容增强型慢波结构降低电磁波相速,达到小型化技术。通过加载周期性金属盲孔构成的慢波结构,可以大幅度提高微带贴片天线和微波腔体的等效介电常数。研究表明,对于相同结构和尺寸的慢波结构,上述两种方法所获得的等效介电常数提升是一致的。论文针对应用需求,设计了一种电容增强型慢波结构,其慢波效果十分明显,对应的等效介电常数可提高约50%,理论上对应的天线及微波器件电路尺寸可缩减30%以上。论文的仿真与实验测试结果支持了以上结论,且仿真结果和实测结果吻合度较高。

特定成分粒径下大椅山火山渣的介电常数测定

本文开展了特定成分、粒径下辉南地区大椅山玄武质火山渣的介电常数测试研究。采集了辉南地区大椅山的玄武质火山渣,利用行星式球磨机研磨,筛分获得不同粒径的玄武质火山渣粉末,并进行配比设计。通过矢量网络分析仪对玄武质火山渣粉末进行了介电常数和介电损耗的测定。结果表明:样品在不同的测试频率下,表现出不同的介电属性。当测试频率为1-2GHz时,玄武质火山渣粉末介电常数显著增加,其介电损耗也相对较高。表明大椅山玄武质火山渣粉末在该频率下,具有较大的微波吸收性。

Sm/Gd-Nd协同置换对高介电常数石榴石微波铁氧体性能的影响

采用固相法陶瓷制备工艺,利用Bi^(3+)与稀土离子Gd^(3+)-Nd^(3+)、Sm^(3+)-Nd^(3+)协同置换对石榴石铁氧体进行高介电常数和高功率性能的复合,开发了新型高介电常数高功率石榴石铁氧体,研究不同烧结温度下制备的铁氧体的电磁性能。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对铁氧体的物相组成和微观形貌进行了表征,确认均为单一的石榴石相结构。该铁氧体良好地复合了高介电常数与高功率特性,且具有tan δ<2×10^(-4),T_(c)>260℃等良好性能。两种高介电常数高功率铁氧体具有不同的烧结特性,在1 090℃、1 100℃烧结的Sm-Nd协同置换的铁氧体出现过烧,电磁性能恶化;而Gd-Nd协同置换的铁氧体则在整个烧结温度内均有较稳定的性能。

基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag多层结构的介电常数近零超低开关阈值光学双稳态器件

光学双稳态这一非线性光学现象因其在全光系统中的巨大应用潜力而备受关注.然而微弱的非线性响应往往需要巨大的输入功率才能实现光学双稳态,导致其实用性不强.本文基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag的金属-介电材料多层结构,在实现介电常数近零的大场增强的同时,还引入了具有大非线性系数的材料,并基于有限元法研究了介电常数近零层的厚度和长度对光学双稳态的影响.研究结果表明,光学双稳态随介电常数近零层的厚度和长度的增大而变得愈发显著,在通信波段的开关阈值低至约10^(-6)W/cm^(2),与之前报道的基于介电常数近零材料的光学双稳态相比,降低了9个数量级,展现了在光子集成电路产业化中的巨大应用潜力.

直流偏置电压下的介电常数测量系统设计

本文设计了在直流偏置电压下的介电常数测量系统。本研究采用谐振电路结合数字频率计测量方法,利用其谐振信号的频移获得待测材料的介电常数,并深入探讨了直流偏置电压对材料介电特性的影响。研究结果表明,在不同直流偏置电压下,材料的介电常数呈现显著变化,谐振电路电容测量分辨率最高可达2.95×10^(-3)MHz/p F,稳定度可达10^(-3)MHz。

基于介电常数-空隙率模型的排水路面面域水膜厚度模型构建与验证

为精确获取超宽断面排水沥青路面水膜厚度的面域分布,指导降雨天气路面抗滑评价和风险预警,降低道路事故发生率。基于渗流理论及水膜厚度模型、空隙率与介电常数关系模型的基础理论,依托深汕西改扩建高速公路工程,借助三维探地雷达采集面域介电常数,转换得到面域的空隙率分布图,进而构建面域的水膜厚度计算模型。最后通过不同降雨强度下的实测数据对模型的准确性进行验证。结果表明,该模型具有较好的精确性,通过提前检测获取面域空隙率分布,并采集排水路径长度、路面合成坡度、厚度等指标,只需监测降雨量即可预测得到路面面域水膜厚度分布情况,为道路雨天行车安全管理提供了准确、具有时效性的基础数据。

Nb^(5+)取代对高介电常数钇铁石榴石铁氧体磁性能的影响

采用传统氧化物烧结工艺制备高介电常数(ε′)钇铁石榴石铁氧体,考察不同烧结温度时Nb^(5+)取代对材料显微结构、晶相、密度(d)、气孔率(p)、晶格常数(a)、饱和磁化强度(4πM^(s))、铁磁共振线宽(ΔH)和介电常数等磁性能的影响。结果表明,Nb^(5+)取代使材料的晶粒尺寸略微增大;Nb^(5+)取代对材料的晶相无明显影响,均为石榴石纯相;1020℃烧结时,随着Nb^(5+)取代量x由0增大到0.075,4πM^(s)从1882 G减小到1741 G,ΔH从149.3 Oe增大到180.2 Oe,烧结体密度从5.83 g/cm^(3)减小到5.72 g/cm^(3),烧结体平均晶粒尺寸(D)从2.29μm增加到2.38μm,气孔率(p)从1.7%增大到3.0%,ε′无明显变化。

Zr^(4+)-V^(5+)联合取代对高介电常数石榴石铁氧体性能的影响

采用传统氧化物陶瓷工艺制备高介电常数、中等饱和磁化强度(4πM_(s))钇铁石榴石铁氧体Bi_(1.2)Y_(1.8-3x)Ca_(3x)Zr_(x)V_(x)Fe_(5-2x)O_(12)(x=0.410~0.455),研究不同烧结温度下Zr^(4+)-V^(5+)联合取代量对材料微观形貌、介电常数(ε′)和磁性能的影响。结果表明,965~985℃烧结样品均为纯石榴石相,随着取代量x的增加,965℃和975℃烧结样品的气孔率(P)先下降后上升,x=0.455时,气孔率最低;985℃烧结时,样品气孔率随x增大呈上升趋势;非磁性的Zr^(4+)-V^(5+)离子进入a、d亚晶格,使得4πM_(s)和磁晶各向异性常数(K_(1))逐渐下降,且Zr^(4+)-V^(5+)取代能促进晶粒生长,显著降低铁磁共振线宽(ΔH),但会引起介电常数下降。