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毫米波的材料介电常数怎么测试出来的?

毫米波(mm Wave)频率曾经是为研究与开发(R & D)保留的一段频谱。但是,现在毫米波已经得到了广泛的应用。随着汽车高级驾驶辅助系统(ADAS)及其毫米波雷达安全系统,和第五代(5G)蜂窝通信技术扩展到更高频率,毫米波频率将被全球数十亿人使用。这就意味着,支持28 GHz或者更高频率的PCB线路板材料的需求也将不断增长。表征此类如此高频率的电路线路板材料,例如频率在80GHz左右,需要测量材料在毫米波频率下的介电常数(Dk)或相对介电常数。然而,在这么高的频率范围内,尚未有确定的行业标准。

介电常数是大多数线路板材料首要关注的特性,因为它影响电路的工作频率下的尺寸。由于波长随着频率的增加而减小,特别是在毫米波频率下,电路尺寸会变得非常小,因此准确地知道电路材料的Dk是很重要的。本质上,材料的Dk或相对介电常数可以定义为材料在两个金属板之间时存储的电荷量与金属板之间是真空或空气时存储的电荷量之比。真空的Dk是“1”,而其他任何材料的Dk都高于真空。


Dk的基础知识


大多数线路板材料供应商使用的测量方法都是公认的行业标准方法,并且在特定的测试频率下测得,如10GHz或以下。在毫米波频率下,也有一些测量线路板材料Dk的方法,但这些方法均不如在低频率下使用的测试方法那样众所周知。


在毫米波频率下精确测量Dk值有哪些困难呢?测量一个材料的Dk值,要么在被测原材料(MUT)上进行测试,要么将原材料加工成某种形式的参考电路,在该电路上进行测试。无论是射频,微波还是毫米波频率,线路板材料的Dk特性通常是具有各向异性的。因此,在利用测试方法确定材料的Dk值时,还需要先确定是测试材料的Z轴(厚度方向)或X-Y平面(材料的长度和宽度)的Dk。对于不同的材料方向,这些值通常是不同的,并且通常是频率的函数。因此对于毫米波电路设计工程师,不能假设Z轴上10 GHz处的Dk值等于相同材料下XY平面上60GHz处的Dk值。在毫米波频率下精确的测量电路材料Dk,对于许多即将到来的毫米波应用及其电路设计工程师来说都是非常重要的。


筛选候选标准


现在已经有许多方法可以测定毫米波频率下材料的Dk值。但是还没有一种方法被诸如IEEE或IPC这样的技术标准组织接受为工业标准的测试技术。然而,一些Dk测试方法提供了非常好的测量精度和可重复性,使它们能成为毫米波Dk测量标准的候选者。


微带差分相位长度法就是其中一种能够作为潜在标准的毫米波Dk测量技术。这是一种基于电路的测试方法。该方法,在被测材料上制作多个不同长度的50欧姆的微带传输线电路,这样,通过测量两个电路的相位角差异,就可以得到被测材料的Dk特性。由于被测材料的Dk可能会生变化,因此在确定该材料的dk时,两个微带电路应尽可能靠近,以尽量减少材料Dk变化带来的影响。可以使用高精度的,频率覆盖范围高达110GHz的矢量网络分析仪(VNA),测试MUT上两个不同长度微带电路的S参数和相位测量。


另一种在毫米波频率下确定线路板材料Dk值的方法是环形谐振器法,其中环形谐振器是在MUT上制作的测试电路。这些谐振电路的尺寸和设计参数能详细精确的反映谐振频率。当在MUT上精确加工一个环形谐振器时,通过测量谐振频率就能准确的反推出材料的介电常数等信息。通过使用VNA测量毫米波频率下的间隙耦合环形谐振器的响应,并将这些响应与商用电磁(EM)场计算软件提供的基于数值的结果进行比较,可以根据输入到软件中的电路尺寸和条件提取出MUT的Dk值。


当然,在实际应用中,尤其是对于毫米波电路的尺寸,电路尺寸和公差可能会导致测量的谐振频率发生变化,从而导致被测材料的Dk值产生误差。导体宽度和电路基板(MUT)的厚度变化也会影响环形谐振器的频率。此外,环形谐振器电路上的铜箔厚度在整个线路板上也可能不同。电路铜厚度的变化会对间隙耦合环形谐振器的耦合和谐振频率产生影响,因此,在应用环形谐振器测试方法确定毫米波频率下线路板材料的Dk时,将电路铜厚度变化降至最低是至关重要的。


上面提到的方法,是众多成熟的线路板材料Dk值测试技术的两个个经典方法,可作为在毫米波频率下测量和确定线路板材料Dk的行业标准方法。这两种都是基于电路的测试方法,也可以使用其它基于原材料的测试方法。


来源:罗杰斯先进互联解决方案专栏 - 微波射频网


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