基于LabWindows／CVI介質復介電常數的測量系統設計

摘 要：針對介質復介電常數測量自動化的需要，根據微擾法理論設計一套基于LabWindows／CVI的介質復介電常數的測量軟件系統。該測試系統主要包括校準、矢網控制、計算三個模塊。用戶只需按照測試面板的提示即可完成對介質復介電常數測量。并創新性地提出直接將校準文件存于計算機內，這樣可以大大減少測量時的校準耗時。測量結果表明，利用該測試系統測得的數據基本與標稱值吻合，且該系統操作方便，性能優良，提高了測試效率，并具有良好的擴展性。
關鍵詞：復介電常數；矢量網絡分析儀；GPIB；自動測試系統

0 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，精度高等優點。該測試系統采用基于GPIB總線的虛擬儀器系統結構作為硬件平臺，其特點是系統中集成了帶有GPIB接口的實際測量儀器，能夠保證系統具有很高的測量精度。軟件開發平臺則采用圖形化軟件LabWindows／CVI，其優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，可大大縮短系統的開發周期。

1 系統軟件結構
該測試系統采用LabWindows／CVI開發環境，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行文件，它通過調用儀器驅動程序完成對儀器的控制，并協調儀器間的工作，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。