基于LabWindows／CVI介质复介电常数的测量系统设计

摘 要：针对介质复介电常数测量自动化的需要，根据微扰法理论设计一套基于LabWindows／CVI的介质复介电常数的测量软件系统。该测试系统主要包括校准、矢网控制、计算三个模块。用户只需按照测试面板的提示即可完成对介质复介电常数测量。并创新性地提出直接将校准文件存于计算机内，这样可以大大减少测量时的校准耗时。测量结果表明，利用该测试系统测得的数据基本与标称值吻合，且该系统操作方便，性能优良，提高了测试效率，并具有良好的扩展性。
关键词：复介电常数；矢量网络分析仪；GPIB；自动测试系统

0 引 言
复介电常数是表征介质材料电磁特性最重要的参量之一，为使其付诸使用，必须准确地知道介质材料的复介电常数。本文介绍一套介质复介电常数测量系统软件，它主要依据矩形腔微扰法对介质介电常数进行测量。该方法是测量复介电常数的一种常用方法，其具有计算简便，所需样品少，精度高等优点。该测试系统采用基于GPIB总线的虚拟仪器系统结构作为硬件平台，其特点是系统中集成了带有GPIB接口的实际测量仪器，能够保证系统具有很高的测量精度。软件开发平台则采用图形化软件LabWindows／CVI，其优点是集图形化编程和文本语言编程于一体，其界面友好，操作简便，可大大缩短系统的开发周期。

1 系统软件结构
该测试系统采用LabWindows／CVI开发环境，为使自动测试软件具有良好的仪器扩展性，便于升级，采用模块化编程风格，使功能程序与驱动程序相对独立。功能程序是一个包括多个子程序模块的可执行文件，它通过调用仪器驱动程序完成对仪器的控制，并协调仪器间的工作，以完成满足标准要求的测试任务，同时提供与用户交互的友好界面，完成数据处理。根据以上思路可得流程图，如图1所示。

首先，对测试系统进行参数设置，主要包括测量频段的选定、测量点数的设定、通道的选择等。然后，通过GPIB-USB卡控制矢网测出空腔状态下的谐振频率f0和品质因素Q0，再加入样品，测试负载时的谐振频率fd和Qd，再利用这两组数据，根据计算公式和样品尺寸及腔体尺寸计算出相对介电常数和损耗正切角。
1．1 校准模块
该校准模块分为标准校准和非标准校准两个部分。标准校准采用SLOT法，即短路器、开路器、匹配负载及直通法。用户只要根据软件的提示在矢网的两端口依次接人开路器、短路器、匹配负载，最后直通，即可完成标准校准。非标准校准采用的是STL法，即短路板、精密波导、直通法。非标准校准后，可以保存校准文件，下次测量的时候，可以直接导人校准文件而不需要再进行手动校准。经验证，该校准基本可以达到要求。
1．2 矢网控制模块
计算机与矢网分析仪连接主要有串口、并口、GPIB等方式。该软件采用GPIB连接计算机和矢量网络分析仪，其优点在于：结构、命令简单，有专为仪器控制设计的接口信号和牢固的接插件，其数据传输速率为1．5 Mb／s，完全可以满足用户的要求。使用时只需要安装包含VISA库函数的驱动软件即可以直接调用使用相对简单的VISA标准函数，再配合相应的指令即可控制仪器。目前，通过对HP8753ES网络分析仪的控制，软件运行良好，如图2所示。