基于GPIB總線的虛擬儀器實現(xiàn)介質復介電常數測量軟件的設計

引 言

復介電常數是表征介質材料電磁特性最重要的參量之一，為使其付諸使用，必須準確地知道介質材料的復介電常數。本文介紹一套介質復介電常數測量系統(tǒng)軟件，它主要依據矩形腔微擾法對介質介電常數進行測量。該方法是測量復介電常數的一種常用方法，其具有計算簡便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點。該測試系統(tǒng)采用基于GPIB總線的虛擬儀器系統(tǒng)結構作為硬件平臺，其特點是系統(tǒng)中集成了帶有GPIB接口的實際測量儀器，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)軟件結構

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展性，便于升級，采用模塊化編程風格，使功能程序與驅動程序相對獨立。功能程序是一個包括多個子程序模塊的可執(zhí)行文件，它通過調用儀器驅動程序完成對儀器的控制，并協(xié)調儀器間的工作，以完成滿足標準要求的測試任務，同時提供與用戶交互的友好界面，完成數據處理。根據以上思路可得流程圖，如圖1所示。

首先，對測試系統(tǒng)進行參數設置，主要包括測量頻段的選定、測量點數的設定、通道的選擇等。然后，通過GPIB-USB卡控制矢網測出空腔狀態(tài)下的諧振頻率f0和品質因素Q0，再加入樣品，測試負載時的諧振頻率fd和Qd，再利用這兩組數據，根據計算公式和樣品尺寸及腔體尺寸計算出相對介電常數和損耗正切角。

1．1 校準模塊

該校準模塊分為標準校準和非標準校準兩個部分。標準校準采用SLOT法，即短路器、開路器、匹配負載及直通法。用戶只要根據軟件的提示在矢網的兩端口依次接人開路器、短路器、匹配負載，最后直通，即可完成標準校準。非標準校準采用的是STL法，即短路板、精密波導、直通法。非標準校準后，可以保存校準文件，下次測量的時候，可以直接導人校準文件而不需要再進行手動校準。經驗證，該校準基本可以達到要求。

1．2 矢網控制模塊

計算機與矢網分析儀連接主要有串口、并口、GPIB等方式。該軟件采用GPIB連接計算機和矢量網絡分析儀，其優(yōu)點在于：結構、命令簡單，有專為儀器控制設計的接口信號和牢固的接插件，其數據傳輸速率為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庫函數的驅動軟件即可以直接調用使用相對簡單的VISA標準函數，再配合相應的指令即可控制儀器。目前，通過對HP8753ES網絡分析儀的控制，軟件運行良好，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介電常數進行測量，該方法具有測量簡便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點。根據微擾理論，有：

式中：εr'和εr"分別為介電常數ε的實部和虛部；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因數；σ為電導率；介質桿的體積Vs遠遠小于腔體的體積V0。

根據以上理論，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，實際加工的腔體與設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 測量結果

在常溫條件下，對實驗室的一些樣品測量結果如表1所示(參考值指文獻[10]中的值)。

從表中可以看出，測出的結果基本與標稱值吻合。

3 誤差分析

該測量系統(tǒng)的誤差主要分為兩部分：校準系統(tǒng)的誤差和測試系統(tǒng)的誤差。

校準系統(tǒng)的誤差主要來自于以下幾個方面：校準波導的反射沒有被考慮；雖然校準波導的反射很小，但是反射的部分會在校準過程中加入到附加網絡中去，而這部分誤差在測量反射參數時會產生影響，尤其當被測件的反射比較小時；波導校準和測量過程中，為了操作方便，同時也為了保護儀器，在每次連接波導時，總是將同軸波導轉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。

4 結語

該測試系統(tǒng)完成了利用微擾法對介質介電常數的自動測試，校準測試速度快，具有可擴展性，二次開發(fā)性強。同時，該自動測試的設計原理及技術能方便地運用于其他測試項目，解決手動測試中存在的問題，極大地提高了測試的質量和效率。