在材料電磁特性的表征過(guò)程中，通常需要測(cè)試以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

1. 介電常數(shù)：反映材料在電場(chǎng)作用下的極化能力，是描述電能儲(chǔ)存的關(guān)鍵參數(shù)。高介電常數(shù)材料通常應(yīng)用于電容器、微波器件等需要電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存的領(lǐng)域。

2. 損耗角正切：描述了材料在電場(chǎng)下的能量損耗情況，即在交流電場(chǎng)中由于內(nèi)部摩擦而損耗的能量。低損耗角正切的材料適用于高頻器件，能夠減少信號(hào)衰減和熱損耗。

3. 磁導(dǎo)率：反映材料在磁場(chǎng)中的磁化能力，通常分為相對(duì)磁導(dǎo)率和絕對(duì)磁導(dǎo)率。該參數(shù)在高頻電磁應(yīng)用中尤其重要，例如在天線和微波吸收材料的設(shè)計(jì)中。

4. 電導(dǎo)率：表示材料的導(dǎo)電能力，尤其是在高頻或射頻應(yīng)用中，導(dǎo)電率會(huì)影響材料的電磁性能。高導(dǎo)電材料一般應(yīng)用于屏蔽和導(dǎo)電層，而絕緣材料則要求低電導(dǎo)率。

這些參數(shù)共同構(gòu)成了材料電磁特性的完整表征

在電磁材料測(cè)試中，介電常數(shù)和損耗角正切是關(guān)注比較多的參數(shù)。它們分別表明了材料在電場(chǎng)中的儲(chǔ)能能力和能量損耗情況。以下詳細(xì)說(shuō)明這兩個(gè)參數(shù)及其在材料電磁特性測(cè)試中的重要性。

1. 介電常數(shù)

介電常數(shù)，又稱為相對(duì)介電常數(shù)，是衡量材料在電場(chǎng)作用下的極化能力。它描述了材料儲(chǔ)存電能的能力，通常定義為材料電容能力與真空電容的比值，表示為：

? 極化作用：當(dāng)電場(chǎng)施加在介電材料上，材料的電偶極子會(huì)發(fā)生位移，這種現(xiàn)象稱為極化。極化程度越高，材料的介電常數(shù)越大，這表明材料能夠在電場(chǎng)中儲(chǔ)存更多的電能。

? 介電常數(shù)的物理意義：高介電常數(shù)的材料，如水、陶瓷或特種電介質(zhì)，在電場(chǎng)下具有較高的極化響應(yīng)，適合用在電容器等需要高電荷儲(chǔ)存能力的應(yīng)用中。相比之下，低介電常數(shù)材料如空氣、聚四氟乙烯（PTFE），在電場(chǎng)下產(chǎn)生的極化效應(yīng)較小，因此常用于絕緣和隔離應(yīng)用。

? 頻率依賴性：介電常數(shù)隨頻率變化。一般在低頻段，材料的極化響應(yīng)較為明顯，但隨著頻率升高，材料的極化時(shí)間滯后現(xiàn)象增強(qiáng)，導(dǎo)致介電常數(shù)逐漸減小。這一頻率依賴特性對(duì)于高頻應(yīng)用（如射頻和微波）尤為重要。

2. 損耗角正切

損耗角正切又稱為介質(zhì)損耗，描述了材料在電場(chǎng)作用下的能量損耗情況。在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)損耗通常都是用介質(zhì)損耗角的正切tanδ來(lái)表示的。用tanδ值來(lái)研究電介質(zhì)損耗具有以下兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）tanδ值可以和介電常數(shù)ε同時(shí)測(cè)量得到；

（2）tanδ值與測(cè)量樣品的大小和形狀都無(wú)關(guān)，是電介質(zhì)自身的屬性，并且在許多情況下，tanδ值比ε值對(duì)介質(zhì)特性的改變敏感的多

? 物理意義：在交流電場(chǎng)下，材料內(nèi)部的極化會(huì)導(dǎo)致一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，損耗角正切越高，表明材料的能量損耗越大。例如，在射頻或微波電路中，高損耗角的材料會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的顯著衰減并產(chǎn)生熱損耗。

? 應(yīng)用影響：低損耗角正切材料（如某些陶瓷和石英）常用于高頻應(yīng)用中，以減少信號(hào)損耗和熱量積累。相比之下，損耗較高的材料（如某些高分子材料）在高頻下不適用，因?yàn)槟芰繐p失過(guò)大，不利于高頻信號(hào)傳輸。

3. 為什么用介電常數(shù)和損耗角正切來(lái)表征材料的電磁特性？

選擇介電常數(shù)和損耗角正切來(lái)表征材料電磁特性是因?yàn)樗鼈冎苯臃从沉瞬牧显陔妶?chǎng)作用下的核心響應(yīng)：

1. 描述儲(chǔ)能與損耗特性：介電常數(shù)代表材料的儲(chǔ)能能力，損耗角正切表示能量損耗情況。這兩者共同描述了材料在電場(chǎng)中的表現(xiàn)。例如，介電常數(shù)較高但損耗角正切較低的材料適合用于儲(chǔ)能應(yīng)用，如高頻電容器；而損耗較低的材料適用于信號(hào)傳輸。

2. 頻率響應(yīng)分析：材料的介電常數(shù)和損耗角正切通常是頻率的函數(shù)，通過(guò)研究其隨頻率的變化，能了解材料在不同頻率下的性能，這在通信和微波等高頻應(yīng)用中至關(guān)重要。例如，介電常數(shù)隨頻率的變化可影響天線的諧振頻率，從而改變電磁波的傳播速度。

3. 優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)天線、濾波器、微波組件等電磁器件時(shí)，常需材料具有特定的介電常數(shù)和較低的損耗角正切，以確保電磁波在器件中的傳播損耗最小化。這些參數(shù)使設(shè)計(jì)者能夠選擇合適的材料來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4. 熱和能量管理：高頻電場(chǎng)下，材料中的能量損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，造成器件溫升。損耗角正切能夠預(yù)測(cè)材料在電場(chǎng)中的發(fā)熱程度，對(duì)高功率和高頻系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)非常重要。例如，低損耗材料更適合用于高頻功率放大器，以減少熱積累。

舉例：

①陶瓷基板材料：高介電常數(shù)的陶瓷材料在射頻和微波技術(shù)中應(yīng)用廣泛。研究者測(cè)試陶瓷基板材料的介電常數(shù)和損耗角正切，以確保材料在不同頻率下保持穩(wěn)定。這對(duì)于減少能量損耗和提升信號(hào)質(zhì)量十分重要，尤其在5G通信系統(tǒng)和射頻模塊中 。

②聚合物材料：用于柔性電子設(shè)備的聚合物材料通常具有較低的介電常數(shù)和損耗角正切，這有助于減少高頻信號(hào)傳輸中的能量損耗。低損耗特性使其在高速信號(hào)傳輸中具有優(yōu)勢(shì) 。

③高介電常數(shù)材料：一些特種材料如鈦酸鋇（BaTiO3）在高頻下具有較高的介電常數(shù)，適用于濾波器和諧振器。測(cè)試其介電常數(shù)和損耗角正切，能夠幫助了解其在特定頻率下的電磁響應(yīng)，以優(yōu)化電子元件的設(shè)計(jì) 。

總結(jié)

介電常數(shù)和損耗角正切共同表征了材料在電場(chǎng)下的儲(chǔ)能和損耗特性。不僅提供了關(guān)于材料如何在電場(chǎng)中響應(yīng)的信息，還為工程師和設(shè)計(jì)師提供了優(yōu)化材料選擇的重要依據(jù)。通過(guò)合理選擇和應(yīng)用這些參數(shù)，可以提升電子器件的性能和可靠性，尤其是在高頻和高功率應(yīng)用中。

審核編輯 黃宇