PCB線路板板料的介電常數(shù)（Dk）或相對(duì)介電常數(shù)并不是永恒固定的常數(shù) – 盡管從它的起名稱上像是一個(gè)常數(shù)。例如，材料的Dk會(huì)隨頻率的變動(dòng)而變動(dòng)。一樣，假如在同一塊材料上運(yùn)用不一樣的Dk測(cè)試辦法，也有可能會(huì)勘測(cè)得出不一樣的Dk值，縱然這些個(gè)測(cè)試辦法都是正確沒(méi)有差錯(cuò)的。隨著線路板料料越來(lái)越多地應(yīng)用于毫米波頻率，如5G以及先進(jìn)匡助操縱系統(tǒng)等領(lǐng)域，了解Dk隨頻率的變動(dòng)以及哪種Dk測(cè)試辦法是“合宜”的是十分關(guān)緊的。

盡管諸如IEEE和IPC等團(tuán)體都有專門(mén)的委員會(huì)來(lái)研究討論這一問(wèn)題，但到現(xiàn)在為止還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)測(cè)試辦法來(lái)勘測(cè)毫米波頻率下線路板料料的Dk。這并不是由于匱缺勘測(cè)辦法，事情的真實(shí)情況上，Chen et al.1等人刊發(fā)的一篇參照論文中描寫(xiě)了80多種測(cè)試Dk的辦法。不過(guò)，沒(méi)有哪一種辦法是理想的，每種辦法都具備它的長(zhǎng)處和不充足，特別是在30到300 GHz的頻率范圍內(nèi)。

電路測(cè)試vs原材料測(cè)試

一般有兩大類的測(cè)試辦法用于確認(rèn)線路板料料的Dk或Df（傷耗角正切或tanδ）：即原材料勘測(cè)，還是在由材料制成的電路施行勘測(cè)。基于原材料的測(cè)試倚賴于高品質(zhì)靠得住的測(cè)試夾具和設(shè)施，直接測(cè)試原材料可以取得Dk和Df值?；陔娐返臏y(cè)試一般是運(yùn)用常見(jiàn)電路并從電路性能中提出取得材料參變量，例如勘測(cè)諧振器的核心頻率或頻率響應(yīng)。原材料的測(cè)試辦法通例會(huì)引入了測(cè)試夾具或測(cè)試裝置有關(guān)的不確認(rèn)性，而電路測(cè)試辦法里面含有來(lái)自測(cè)試電路預(yù)設(shè)和加工技術(shù)的不確認(rèn)性。因?yàn)檫@兩種辦法不一樣，勘測(cè)最后結(jié)果和正確度水準(zhǔn)一般不完全一樣。

例如，由IPC定義的X波段夾緊式帶狀線測(cè)試辦法，是一種原材料的測(cè)試辦法，其最后結(jié)果就沒(méi)有辦法與相同材料的電路測(cè)試的Dk最后結(jié)果完全一樣。夾緊式帶狀線原材料測(cè)試辦法是將兩片待測(cè)材料（MUT）夾在一個(gè)特別的測(cè)試夾具中來(lái)構(gòu)建一個(gè)帶狀線諧振器。在待測(cè)材料（MUT）和測(cè)試夾具中的薄諧振器電路之間會(huì)有空氣，空氣的存在會(huì)減低勘測(cè)的Dk。假如在相同的線路板料料向上行電路測(cè)試，與沒(méi)有夾帶空氣，測(cè)得的Dk是不一樣的。對(duì)于經(jīng)過(guò)原材料測(cè)試確認(rèn)的Dk公差為±0.050的高頻線路板料料，電路測(cè)試將獲得約±0.075的公差。

線路板料料是各向異性的，一般在三個(gè)材料軸上具備不一樣的Dk值。Dk值一般在x軸和y軸間區(qū)別細(xì)小，因?yàn)檫@個(gè)對(duì)于大部分?jǐn)?shù)高頻材料，Dk各向異性一般指在z軸和x-y最簡(jiǎn)單的面之間施行的Dk比較。因?yàn)椴牧系母飨虍愋裕瑢?duì)于相同的待測(cè)材料（MUT），勘測(cè)獲得的z軸的Dk與x-y最簡(jiǎn)單的面上的Dk是不一樣的，盡管測(cè)試辦法和測(cè)試獲得的Dk的值都是“準(zhǔn)確的”。

用于電路測(cè)試的電路類型也會(huì)影響被測(cè)Dk的值。一般，運(yùn)用兩品類型的測(cè)試電路：諧振結(jié)構(gòu)和傳道輸送/反射結(jié)構(gòu)。諧振結(jié)構(gòu)一般供給窄帶最后結(jié)果，而傳道輸送/反射測(cè)試一般是寬帶最后結(jié)果。運(yùn)用諧振結(jié)構(gòu)的辦法一般更正確。

測(cè)試辦法舉出例子

原材料測(cè)試的一個(gè)典型舉出例子是X波段夾緊式帶狀線辦法。它已經(jīng)被高頻電路板制作商運(yùn)用積年，是確認(rèn)線路板料料的z軸中的Dk和Df（tanδ）的靠得住手眼。它運(yùn)用夾緊式夾具使待測(cè)材料（MUT）樣品形成松耦合的帶狀線諧振器。諧振器的被測(cè)質(zhì)量因子（Q）為空載Q，因?yàn)檫@個(gè)電纜，連署器和夾具校準(zhǔn)對(duì)最后勘測(cè)最后結(jié)果影響細(xì)小。覆銅電路板在測(cè)試之前需求將全部的銅箔腐刻掉，僅測(cè)試媒介原材料基板。電路原材料在一定的背景條件下，割切成一定尺寸并安放于諧振器電路兩側(cè)的夾具中（見(jiàn)圖1）。

圖1 X波段夾緊式帶狀線測(cè)試夾具側(cè)面(a)，諧振器概況圖(b)，及夾具實(shí)物圖(c)

諧振器預(yù)設(shè)是頻率2.5 GHz的半波長(zhǎng)諧振器，因?yàn)檫@個(gè)第四個(gè)諧振頻率為10 GHz，這是常用于Dk和Df勘測(cè)的諧振點(diǎn)。可以運(yùn)用較低的諧振點(diǎn)配合得當(dāng)振頻率 – 甚至于可以運(yùn)用較高的第五個(gè)諧振頻率，不過(guò)由于諧波和雜散波的影響一般防止運(yùn)用更高的諧振點(diǎn)?？睖y(cè)提出取得Dk或相對(duì)介電常數(shù)（εr）很簡(jiǎn)單：

那里面n是第幾個(gè)諧振頻點(diǎn)，c是自由空間中的光速，fr是諧振的核心頻率，ΔL償還耦合空隙中的電場(chǎng)引動(dòng)的電長(zhǎng)度延長(zhǎng)。從勘測(cè)中提出取得tanδ（Df）也很簡(jiǎn)單，它是諧振峰值的3dB帶寬有關(guān)的傷耗減去與諧振器電路的導(dǎo)體傷耗（1 / Qc）。

圖2 寬帶夾緊式帶狀線勘測(cè)60mils的待測(cè)材料（MUT），Dk = 3.48。

圖二顯露的是運(yùn)用夾緊式帶狀線法勘測(cè)60mils、Dk = 3.48的待測(cè)材料（MUT）的寬帶測(cè)試最后結(jié)果。

圓環(huán)諧振器一般用作測(cè)試電路。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在微帶線環(huán)的均勻周長(zhǎng)的平頭數(shù)倍處諧振（見(jiàn)圖3a）。信號(hào)耦合一般是松耦合的，由于饋線和環(huán)之間的松耦合可使他們之間的耦合空隙電容最小化。該電容會(huì)隨頻率而變動(dòng)，造成諧振頻率偏移，使在提出取得材料Dk時(shí)萌生誤差。諧振環(huán)的導(dǎo)體寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑-依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，小于環(huán)半徑的四分之一。

  圖3微帶圓環(huán)諧振器（a）和寬帶勘測(cè)（b）

圖3b是基于10mil厚的線路板料料的微帶圓環(huán)諧振器的S21響應(yīng)，那里面Dk = 3.48。Dk的近似計(jì)算由下式給出

盡管是近似，但這些個(gè)公式對(duì)于確認(rèn)起初Dk值很有用。運(yùn)用電磁（EM）場(chǎng)求解器和非常準(zhǔn)確的諧振器電路尺寸可以獲得更非常準(zhǔn)確的Dk。

勘測(cè)Dk和Df時(shí)認(rèn)為合適而使用松耦合諧振器可上限地減小諧振器負(fù)載效應(yīng)。使諧振峰值處的插進(jìn)去傷耗小于20 dB可覺(jué)得是松耦合。在某些事情狀況下，因?yàn)轳詈蠘O弱造成諧振峰有可能沒(méi)有辦法勘測(cè)。這一般發(fā)生在較薄厚度的諧振電路上，毫米波應(yīng)用中等用較薄的電路材料，由于頻率越高波長(zhǎng)越短、電路尺寸也越小。

毫米波測(cè)試辦法

固然有很多Dk測(cè)試辦法，但只有一點(diǎn)適合使用于毫米波頻率，仍沒(méi)有一種被確定地認(rèn)為是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以下兩種辦法在毫米波的測(cè)試中是比較正確且具備高的可重復(fù)性。

差分相位長(zhǎng)度法

微帶線差分相位長(zhǎng)度法已經(jīng)運(yùn)用了好幾年。這是一種傳道輸送線測(cè)試辦法，勘測(cè)兩個(gè)僅物理長(zhǎng)度不一樣的電路的相位（參看圖4）。為了防止線路板料料特別的性質(zhì)的不論什么變動(dòng)，測(cè)試電路的預(yù)設(shè)在被測(cè)材料（MUT）上盡有可能接近在一塊兒。這些個(gè)電路是50Ω的長(zhǎng)度不一樣的微帶傳道輸送線，信號(hào)饋入是接地共面波導(dǎo)（GCPW）方式。在毫米波頻率下，GCPW信號(hào)饋入形式十分關(guān)緊，由于饋入處的預(yù)設(shè)有可能對(duì)回波傷耗萌生重大影響。還應(yīng)運(yùn)用端接非燒焊式連署器，一方面使在不燒焊的事情狀況下同軸連署器和測(cè)試電路之間形成令人滿意的接觸，另一方面同一連氣兒接器可以用于參差兩條不一樣的電路測(cè)試，這上限地減損了連署器對(duì)勘測(cè)最后結(jié)果的影響。為維持完全一樣性，相同的連署器應(yīng)始末對(duì)應(yīng)向量網(wǎng)絡(luò)剖析儀（VNA）的相同端口。譬如說(shuō)，假如連署器A與 VNA的端口1銜接接，而連署器B與端口2銜接測(cè)試較短的電路，則在測(cè)試較長(zhǎng)的電路時(shí)也應(yīng)當(dāng)這么。

 圖4 差分相位長(zhǎng)度法中運(yùn)用的長(zhǎng)、短微帶線電路

長(zhǎng)、短線電路的相位相減的同時(shí)也減掉了連署器和信號(hào)饋入地區(qū)范圍的影響。假如兩個(gè)電路的回波傷耗都美好況且連署用具備完全一樣的方向，則連署器的絕大多影響都能被減小到最低。在毫米波頻率下運(yùn)用差分相位長(zhǎng)度法時(shí)，回波傷耗在60 GHz以下優(yōu)于15 dB，60GHz至110 GHz優(yōu)于12 dB均可接納。

微帶差分相位長(zhǎng)度辦法的Dk提出取得方程是基于具備不一樣物理長(zhǎng)度的電路的微帶線相位響應(yīng)公式：

那里面c是自由空間中的光速，f是S21相角的頻率，ΔL是兩個(gè)電路的物理長(zhǎng)度的差，ΔΦ是參差線電路之間的相位差。

測(cè)試辦法涵蓋幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

• 勘測(cè)參差線電路的在某一給定頻率下的S21相位角。

• 運(yùn)用公式確認(rèn)管用Dk。

• 測(cè)試電路的非常準(zhǔn)確的電路尺寸，確認(rèn)材料的起初Dk值并輸入EM場(chǎng)求解器。

• 運(yùn)用軟件生成摹擬的管用Dk值。更改求解器中的Dk，一直到同一頻率下材料的勘測(cè)的管用Dk和摹擬的管用Dk值相般配。

• 經(jīng)過(guò)將頻率增加到毫米波并重復(fù)此過(guò)程，可以獲得毫米波頻率下確實(shí)認(rèn)Dk值。

圖5顯露了運(yùn)用微帶線差分相位長(zhǎng)度辦法測(cè)試5mil RO3003G2TM線路板料料的Dk隨頻率的變動(dòng)。該曲線是運(yùn)用羅杰斯企業(yè)研發(fā)的Dk計(jì)算工具所得。該數(shù)值反映了隨著頻率增加, Dk減低的發(fā)展方向。在較低頻率下，Dk隨頻率變動(dòng)較大; 不過(guò)，從10到110 GHz的Dk隨頻率的變動(dòng)細(xì)小。該曲線反映了具備低傷耗和運(yùn)用光溜的壓延銅的材料，具備高傷耗和/或較高銅外表光潔度的材料其Dk隨頻率變動(dòng)關(guān)系中表達(dá)出約大的負(fù)斜率。運(yùn)用這種測(cè)試辦法，還可以經(jīng)過(guò)在每個(gè)頻率上參差線的S21傷耗值來(lái)取得待測(cè)材料（MUT）的電路的插進(jìn)去傷耗（見(jiàn)圖6）。

圖5微帶線差分相位長(zhǎng)度法勘測(cè)的Dk與頻率的關(guān)系

圖6微帶線差分長(zhǎng)度法勘測(cè)插進(jìn)去傷耗與頻率的關(guān)系

圓環(huán)諧振器法

圓環(huán)諧振器辦法是另一種用于毫米波表征的辦法。固然圓環(huán)諧振器一般在10 GHz以下運(yùn)用，但具備合適的加工精密度，它也可以在毫米波頻率下管用運(yùn)用。加工精密度很關(guān)緊，由于電路尺寸和尺寸公差的影響在毫米波時(shí)影響更為冒尖，不論什么變動(dòng)都會(huì)減低精密度。大部分?jǐn)?shù)毫米波圓環(huán)諧振器很?。ㄒ话銥?mil），饋線配合得當(dāng)振器環(huán)之間的空隙也細(xì)小。圓環(huán)諧振器的厚度、線路的鍍銅厚度、空隙尺寸的變動(dòng)都會(huì)對(duì)其有影響，因此影響諧振頻率。

比較運(yùn)用同前線路板板料但不一樣鍍銅厚度的兩個(gè)電路時(shí)，具備較厚銅的電路表達(dá)出較低的Dk。一樣，兩個(gè)電路的諧振頻率也會(huì)不一樣，盡管他們運(yùn)用相同的線路板板料和測(cè)試辦法。圖7是是這樣的的一個(gè)例子，電路的最后電鍍外表的厚度變動(dòng)造成相同材料的計(jì)算獲得的Dk的差別。不管外表處置是化學(xué)鍍金（ENIG）仍然其它鍍層外表，這種影響都是大致相似的。

 圖7毫米波圓環(huán)諧振器勘測(cè)，鍍層是 63mil（a）和175mil（b）厚度的鍍鎳。

除開(kāi)這些個(gè)加工問(wèn)題以外，導(dǎo)體寬度變動(dòng)，腐刻耦合空隙變動(dòng)，梯型效應(yīng)和基板厚度變動(dòng)也會(huì)萌生大致相似的影響。假如在用圓環(huán)諧振器測(cè)試Dk時(shí)思索問(wèn)題到全部這些個(gè)變動(dòng)，單個(gè)的圓環(huán)諧振器勘測(cè)可以獲得準(zhǔn)確的Dk值。不過(guò)，很多測(cè)試往往都是認(rèn)為合適而使用標(biāo)稱電路尺寸去測(cè)試計(jì)算的Dk，因?yàn)檫@個(gè)并不盡然準(zhǔn)確。并且測(cè)試的是較低頻率，這些個(gè)效應(yīng)不會(huì)像毫米波頻率那樣子表面化影響Dk精密度。

在毫米波頻帶運(yùn)用圓環(huán)諧振器的另一個(gè)關(guān)緊變量是耦合空隙隨頻率變動(dòng)。一般事情狀況下，圓環(huán)諧振器是用多個(gè)不一樣諧振點(diǎn)來(lái)評(píng)估的，耦合空隙一般有表面化的隨不一樣諧振點(diǎn)的頻率差別。因?yàn)檫@個(gè)耦合空隙的變動(dòng)有可能是一個(gè)關(guān)緊的誤差源。為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以運(yùn)用差分圓周的辦法。這種辦法運(yùn)用的兩個(gè)圓環(huán)諧振器除開(kāi)周長(zhǎng)不一樣，基本是相同的，況且是你我的平頭數(shù)倍（見(jiàn)圖8）。對(duì)于兩個(gè)圓環(huán)諧振器，在Dk測(cè)試中高階諧振點(diǎn)具備并肩的諧振頻率。因?yàn)轲伨€和空隙相同，耦合空隙的影響減小 - 理論上消弭 - 這要得勘測(cè)獲得的Dk的精密度更高。Dk的計(jì)算公式如下所述：

  圖8微帶差分圓周圓環(huán)諧振器

圖8中的圓環(huán)諧振器是微帶結(jié)構(gòu)，饋線是緊耦合GCPW以防止開(kāi)路端的饋線諧振，防止干擾圓環(huán)諧振器的諧振峰值。一般假如饋線是開(kāi)路，他們將具備自個(gè)兒的諧振。防止這種事情狀況的惟一辦法是使饋線更短或運(yùn)用緊耦合的GCPW饋線。因?yàn)椴罘謭A周圓環(huán)諧振器辦法直接所獲得的還是是電路的管用Dk，因?yàn)檫@個(gè)還是需求施行非常準(zhǔn)確的電路尺寸勘測(cè)并運(yùn)用場(chǎng)求解器來(lái)獲得材料Dk。

論斷

這處商議的毫米波測(cè)試辦法都是基于電路的。還有眾多其它的測(cè)試辦法，如基于原材料的測(cè)試辦法。不過(guò)大部分?jǐn)?shù)辦法測(cè)試的x-y最簡(jiǎn)單的面的材料Dk而不是z軸（厚度）Dk。電路預(yù)設(shè)擔(dān)任職務(wù)的人更多事情狀況下運(yùn)用z軸Dk，但對(duì)于某些應(yīng)用中需求運(yùn)用材料x(chóng)-y最簡(jiǎn)單的面Dk值的人來(lái)說(shuō)，自由空間測(cè)試法，離合圓柱諧振器測(cè)試法和波導(dǎo)微擾測(cè)試法等都是x-y最簡(jiǎn)單的面的測(cè)試辦法。

也有人提出運(yùn)用夾緊式寬邊耦合帶狀線諧振器測(cè)試辦法用于確認(rèn)毫米波頻率下的線路板料料Dk。但這種辦法僅對(duì)于小范圍內(nèi)待測(cè)材料（MUT）最管用，并不舒服合大量量的測(cè)試。因?yàn)檫@個(gè)，還是在接著研討可用于毫米波頻率的原材料的測(cè)試辦法。

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