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毫米波的材料介電常數(shù)怎么測(cè)試出來的？
毫米波(mmWave)頻率曾經(jīng)是為研究與開發(fā)(R&D)保留的一段頻譜。但是，現(xiàn)在毫米波已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及其毫米波雷達(dá)安全系統(tǒng)，和第五代(5G)蜂窩通信技術(shù)擴(kuò)展到更高頻率，毫米波頻率將被數(shù)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(cè)量材料在毫米波頻率下的介電常數(shù)(Dk)或相對(duì)介電常數(shù)。然而，在這么高的頻率范圍內(nèi)，尚未有確定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
介電常數(shù)是大多數(shù)線路板材料首要關(guān)注的特性，因?yàn)樗绊戨娐返墓ぷ黝l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(huì)變得非常小，因此準(zhǔn)確地知道電路材料的Dk是很重要的。本質(zhì)上，材料的Dk或相對(duì)介電常數(shù)可以定義為材料在兩個(gè)金屬板之間時(shí)存儲(chǔ)的電荷量與金屬板之間是真空或空氣時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)知識(shí)
大多數(shù)線路板材料供應(yīng)商使用的測(cè)量方法都是*的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，并且在特定的測(cè)試頻率下測(cè)得，如10GHz或以下。在毫米波頻率下，也有一些測(cè)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(cè)試方法那樣*。
在毫米波頻率下精確測(cè)量Dk值有哪些困難呢？測(cè)量一個(gè)材料的Dk值，要么在被測(cè)原材料(MUT)上進(jìn)行測(cè)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(jìn)行測(cè)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(cè)試方法確定材料的Dk值時(shí)，還需要先確定是測(cè)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(duì)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(shù)。因此對(duì)于毫米波電路設(shè)計(jì)工程師，不能假設(shè)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(cè)量電路材料Dk，對(duì)于許多即將到來的毫米波應(yīng)用及其電路設(shè)計(jì)工程師來說都是非常重要的。
篩選候選標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)在已經(jīng)有許多方法可以測(cè)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織接受為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試技術(shù)。然而，一些Dk測(cè)試方法提供了非常好的測(cè)量精度和可重復(fù)性，使它們能成為毫米波Dk測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的毫米波Dk測(cè)量技術(shù)。這是一種基于電路的測(cè)試方法。該方法，在被測(cè)材料上制作多個(gè)不同長度的50歐姆的微帶傳輸線電路，這樣，通過測(cè)量兩個(gè)電路的相位角差異，就可以得到被測(cè)材料的Dk特性。由于被測(cè)材料的Dk可能會(huì)生變化，因此在確定該材料的dk時(shí)，兩個(gè)微帶電路應(yīng)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(dá)110GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，測(cè)試MUT上兩個(gè)不同長度微帶電路的S參數(shù)和相位測(cè)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(huán)形諧振器法，其中環(huán)形諧振器是在MUT上制作的測(cè)試電路。這些諧振電路的尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)能詳細(xì)精確的反映諧振頻率。當(dāng)在MUT上精確加工一個(gè)環(huán)形諧振器時(shí)，通過測(cè)量諧振頻率就能準(zhǔn)確的反推出材料的介電常數(shù)等信息。通過使用VNA測(cè)量毫米波頻率下的間隙耦合環(huán)形諧振器的響應(yīng)，并將這些響應(yīng)與商用電磁(EM)場計(jì)算軟件提供的基于數(shù)值的結(jié)果進(jìn)行比較，可以根據(jù)輸入到軟件中的電路尺寸和條件提取出MUT的Dk值。
當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是對(duì)于毫米波電路的尺寸，電路尺寸和公差可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的諧振頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致被測(cè)材料的Dk值產(chǎn)生誤差。導(dǎo)體寬度和電路基板(MUT)的厚度變化也會(huì)影響環(huán)形諧振器的頻率。此外，環(huán)形諧振器電路上的銅箔厚度在整個(gè)線路板上也可能不同。電路銅厚度的變化會(huì)對(duì)間隙耦合環(huán)形諧振器的耦合和諧振頻率產(chǎn)生影響，因此，在應(yīng)用環(huán)形諧振器測(cè)試方法確定毫米波頻率下線路板材料的Dk時(shí)，將電路銅厚度變化降至低是至關(guān)重要的。
上面提到的方法，是眾多成熟的線路板材料Dk值測(cè)試技術(shù)的兩個(gè)個(gè)經(jīng)典方法，可作為在毫米波頻率下測(cè)量和確定線路板材料Dk的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。這兩種都是基于電路的測(cè)試方法，也可以使用其它基于原材料的測(cè)試方法。
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