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      毫米波的材料介電常數怎么測試出來的?

    1. 發布日期:2020-04-07     信息來源:      瀏覽次數:589
      •   毫米波(mmWave)頻率曾經是為研究與開發(R&D)保留的一段頻譜。但是,現在毫米波已經得到了廣泛的應用。隨著汽車高級駕駛輔助系統(ADAS)及其毫米波雷達安全系統,和第五代(5G)蜂窩通信技術擴展到更高頻率,毫米波頻率將被全球數十億人使用。這就意味著,支持28GHz或者更高頻率的PCB線路板材料的需求也將不斷增長。表征此類如此高頻率的電路線路板材料,例如頻率在80GHz左右,需要測量材料在毫米波頻率下的介電常數(Dk)或相對介電常數。然而,在這么高的頻率范圍內,尚未有確定的行業標準。
         
          介電常數是大多數線路板材料首要關注的特性,因為它影響電路的工作頻率下的尺寸。由于波長隨著頻率的增加而減小,特別是在毫米波頻率下,電路尺寸會變得非常小,因此準確地知道電路材料的Dk是很重要的。本質上,材料的Dk或相對介電常數可以定義為材料在兩個金屬板之間時存儲的電荷量與金屬板之間是真空或空氣時存儲的電荷量之比。真空的Dk是“1”,而其他任何材料的Dk都高于真空。
         
          Dk的基礎知識
         
          大多數線路板材料供應商使用的測量方法都是公認的行業標準方法,并且在特定的測試頻率下測得,如10GHz或以下。在毫米波頻率下,也有一些測量線路板材料Dk的方法,但這些方法均不如在低頻率下使用的測試方法那樣眾所周知。
         
          在毫米波頻率下精確測量Dk值有哪些困難呢?測量一個材料的Dk值,要么在被測原材料(MUT)上進行測試,要么將原材料加工成某種形式的參考電路,在該電路上進行測試。無論是射頻,微波還是毫米波頻率,線路板材料的Dk特性通常是具有各向異性的。因此,在利用測試方法確定材料的Dk值時,還需要先確定是測試材料的Z軸(厚度方向)或X-Y平面(材料的長度和寬度)的Dk。對于不同的材料方向,這些值通常是不同的,并且通常是頻率的函數。因此對于毫米波電路設計工程師,不能假設Z軸上10GHz處的Dk值等于相同材料下XY平面上60GHz處的Dk值。在毫米波頻率下精確的測量電路材料Dk,對于許多即將到來的毫米波應用及其電路設計工程師來說都是非常重要的。
         
          篩選候選標準
         
          現在已經有許多方法可以測定毫米波頻率下材料的Dk值。但是還沒有一種方法被諸如IEEE或IPC這樣的技術標準組織接受為工業標準的測試技術。然而,一些Dk測試方法提供了非常好的測量精度和可重復性,使它們能成為毫米波Dk測量標準的候選者。
         
          微帶差分相位長度法就是其中一種能夠作為潛在標準的毫米波Dk測量技術。這是一種基于電路的測試方法。該方法,在被測材料上制作多個不同長度的50歐姆的微帶傳輸線電路,這樣,通過測量兩個電路的相位角差異,就可以得到被測材料的Dk特性。由于被測材料的Dk可能會生變化,因此在確定該材料的dk時,兩個微帶電路應盡可能靠近,以盡量減少材料Dk變化帶來的影響。可以使用高精度的,頻率覆蓋范圍高達110GHz的矢量網絡分析儀(VNA),測試MUT上兩個不同長度微帶電路的S參數和相位測量。
         
          另一種在毫米波頻率下確定線路板材料Dk值的方法是環形諧振器法,其中環形諧振器是在MUT上制作的測試電路。這些諧振電路的尺寸和設計參數能詳細精確的反映諧振頻率。當在MUT上精確加工一個環形諧振器時,通過測量諧振頻率就能準確的反推出材料的介電常數等信息。通過使用VNA測量毫米波頻率下的間隙耦合環形諧振器的響應,并將這些響應與商用電磁(EM)場計算軟件提供的基于數值的結果進行比較,可以根據輸入到軟件中的電路尺寸和條件提取出MUT的Dk值。
         
          當然,在實際應用中,尤其是對于毫米波電路的尺寸,電路尺寸和公差可能會導致測量的諧振頻率發生變化,從而導致被測材料的Dk值產生誤差。導體寬度和電路基板(MUT)的厚度變化也會影響環形諧振器的頻率。此外,環形諧振器電路上的銅箔厚度在整個線路板上也可能不同。電路銅厚度的變化會對間隙耦合環形諧振器的耦合和諧振頻率產生影響,因此,在應用環形諧振器測試方法確定毫米波頻率下線路板材料的Dk時,將電路銅厚度變化降至最低是至關重要的。
         
          上面提到的方法,是眾多成熟的線路板材料Dk值測試技術的兩個個經典方法,可作為在毫米波頻率下測量和確定線路板材料Dk的行業標準方法。這兩種都是基于電路的測試方法,也可以使用其它基于原材料的測試方法。

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