测试原理
介电测量自由空间法将焦距和频段相同的发射天线和接收天线分别置于试样两侧，试样置于两天线焦距处（见图4-47）。发射天线以准TEM模式辐射电磁波，在试样与天线间发生发射和透射，通过测量发射系数S11和透射系数S21，可计算材料的复介电常数。该方法要求试样平整、上下表面平行、面积足够大，低损耗试样需要足够厚，同时要尽量避免电磁波的绕射和空间二次散射。
图4-47 自由空间法测试原理
（4-52）
其中，Γ和T分别为
（4-53）
（4-54）
式中，Zsn和k分别为标准阻抗和试样传播常数，其与试样介电常数的关系分别为
（4-55）
（4-56）
式中，k0=2π/λ0，λ0为自由空间波长。
典型测试结果
美国宾夕法尼亚大学电声材料工程中心Varadan V.V.等建立了频率为5.85~40GHz，最高温度为1123K的自由空间法复介电常数测试装置，其中炉体隔热材料为低密度石英纤维隔热毡，如图4-48所示。
图4-48 高温测试装置组成图
该装置采用TRL两步校准法：第一步为室温校准，用于抵消仪器、天线和传输线路的影响；第二步为高温无试样条件下的校准，用于消除炉子的隔热材料、试样支撑架、温度环境等因素的影响。但TRL校准并不能消除试样与天线间的来回反射，需采用时域法进行修正。
分析了高温试样位置及倾斜情况（图4-49所示）对测试信号的影响，结果表明：倾斜对S21影响较小，对S11影响明显。因此提出了用传输系数S21计算材料的复介电常数，但对低损耗试样，要想获得准确测试结果，还需通过反射系数S11来计算介电损耗，且需要采用3阶电厚度的试样。
图4-49 试样倾斜的影响分析
基于上述分析与校准测试，获得了厚度为4.8mm石英玻璃和12.7mmBN介电性能自由空间法的测试数据（图4-50），由于石英玻璃试样很薄，不能形成介质谐振，未获得其介电损耗数据。
图4-50 石英玻璃和BN测试结果
佐治亚州理工大学Harold L. Bassett于1970年建立了温度超过2200K氧乙炔火焰加热的自由空间法测试系统。采用该系统对氧化硅材料进行了研究性测试，试样熔融前的测试结果具有一定参考价值。
该系统利用置于两天线焦距的旋转试样，试样的一侧的部分区域受氧乙炔火焰加热并在高速旋转实现均热，同步动态测试其传输损耗与相位。为防止试样高温变形造成位置变化，将一阶电厚度的试样镶嵌于φ40cm板内，采用3个光学高温计（1个比色高温计、1个光学高温计和1个全波段辐射高温计）检测试样表面温度，并记录试样温度、传输损耗和相位随时间的变化。
