毫米波的(de)材料介電常數怎麽測試出來(lái)的(de)?

　　毫米波的(de)材料介電常數怎麽測試出來(lái)的(de)?

　　毫米波（mm Wave）頻(pín)率曾經是爲研究與開發（R & D）保留的(de)一段頻(pín)譜。但是，現在毫米波已經得(de)到了(le)廣泛的(de)應用(yòng)。随著(zhe)汽車駕駛輔助系統（ADAS）及其毫米波雷達安全系統，和(hé)第五代（5G）蜂窩通(tōng)信技術擴展到更高(gāo)頻(pín)率，毫米波頻(pín)率将被數十億人(rén)使用(yòng)。這(zhè)就意味著(zhe)，支持28 GHz或者更高(gāo)頻(pín)率的(de)PCB線路闆材料的(de)需求也(yě)将不斷增長(cháng)。表征此類如此高(gāo)頻(pín)率的(de)電路線路闆材料，例如頻(pín)率在80GHz左右，需要測量材料在毫米波頻(pín)率下(xià)的(de)介電常數（Dk）或相對(duì)介電常數。然而，在這(zhè)麽高(gāo)的(de)頻(pín)率範圍内，尚未有确定的(de)行業标準。

　　介電常數是大(dà)多(duō)數線路闆材料要關注的(de)特性，因爲它影(yǐng)響電路的(de)工作頻(pín)率下(xià)的(de)尺寸。由于波長(cháng)随著(zhe)頻(pín)率的(de)增加而減小，特别是在毫米波頻(pín)率下(xià)，電路尺寸會變得(de)非常小，因此準确地知道電路材料的(de)Dk是很重要的(de)。本質上，材料的(de)Dk或相對(duì)介電常數可(kě)以定義爲材料在兩個(gè)金屬闆之間時(shí)存儲的(de)電荷量與金屬闆之間是真空或空氣時(shí)存儲的(de)電荷量之比。真空的(de)Dk是“1”，而其他(tā)任何材料的(de)Dk都高(gāo)于真空。

　　Dk的(de)基礎知識

　　大(dà)多(duō)數線路闆材料供應商使用(yòng)的(de)測量方法都是*的(de)行業标準方法，并且在特定的(de)測試頻(pín)率下(xià)測得(de)，如10GHz或以下(xià)。在毫米波頻(pín)率下(xià)，也(yě)有一些測量線路闆材料Dk的(de)方法，但這(zhè)些方法均不如在低頻(pín)率下(xià)使用(yòng)的(de)測試方法那樣*。

　　在毫米波頻(pín)率下(xià)測量Dk值有哪些困難呢(ne)？測量一個(gè)材料的(de)Dk值，要麽在被測原材料（MUT）上進行測試，要麽将原材料加工成某種形式的(de)參考電路，在該電路上進行測試。無論是射頻(pín)，微波還(hái)是毫米波頻(pín)率，線路闆材料的(de)Dk特性通(tōng)常是具有各向異性的(de)。因此，在利用(yòng)測試方法确定材料的(de)Dk值時(shí)，還(hái)需要先确定是測試材料的(de)Z軸（厚度方向）或X-Y平面（材料的(de)長(cháng)度和(hé)寬度）的(de)Dk。對(duì)于不同的(de)材料方向，這(zhè)些值通(tōng)常是不同的(de)，并且通(tōng)常是頻(pín)率的(de)函數。因此對(duì)于毫米波電路設計工程師，不能假設Z軸上10 GHz處的(de)Dk值等于相同材料下(xià)XY平面上60GHz處的(de)Dk值。在毫米波頻(pín)率下(xià)的(de)測量電路材料Dk，對(duì)于許多(duō)即将到來(lái)的(de)毫米波應用(yòng)及其電路設計工程師來(lái)說都是非常重要的(de)。

　　篩選候選标準

　　現在已經有許多(duō)方法可(kě)以測定毫米波頻(pín)率下(xià)材料的(de)Dk值。但是還(hái)沒有一種方法被諸如IEEE或IPC這(zhè)樣的(de)技術标準組織接受爲工業标準的(de)測試技術。然而，一些Dk測試方法提供了(le)非常好的(de)測量精度和(hé)可(kě)重複性，使它們能成爲毫米波Dk測量标準的(de)候選者。

　　微帶差分(fēn)相位長(cháng)度法就是其中一種能夠作爲潛在标準的(de)毫米波Dk測量技術。這(zhè)是一種基于電路的(de)測試方法。該方法，在被測材料上制作多(duō)個(gè)不同長(cháng)度的(de)50歐姆的(de)微帶傳輸線電路，這(zhè)樣，通(tōng)過測量兩個(gè)電路的(de)相位角差異，就可(kě)以得(de)到被測材料的(de)Dk特性。由于被測材料的(de)Dk可(kě)能會生變化(huà)，因此在确定該材料的(de)dk時(shí)，兩個(gè)微帶電路應盡可(kě)能靠近，以盡量減少材料Dk變化(huà)帶來(lái)的(de)影(yǐng)響。可(kě)以使用(yòng)的(de)，頻(pín)率覆蓋範圍高(gāo)達110GHz的(de)矢量網絡分(fēn)析儀（VNA），測試MUT上兩個(gè)不同長(cháng)度微帶電路的(de)S參數和(hé)相位測量。

　　另一種在毫米波頻(pín)率下(xià)确定線路闆材料Dk值的(de)方法是環形諧振器法，其中環形諧振器是在MUT上制作的(de)測試電路。這(zhè)些諧振電路的(de)尺寸和(hé)設計參數能詳細的(de)反映諧振頻(pín)率。當在MUT上加工一個(gè)環形諧振器時(shí)，通(tōng)過測量諧振頻(pín)率就能準确的(de)反推出材料的(de)介電常數等信息。通(tōng)過使用(yòng)VNA測量毫米波頻(pín)率下(xià)的(de)間隙耦合環形諧振器的(de)響應，并将這(zhè)些響應與商用(yòng)電磁（EM）場(chǎng)計算(suàn)軟件提供的(de)基于數值的(de)結果進行比較，可(kě)以根據輸入到軟件中的(de)電路尺寸和(hé)條件提取出MUT的(de)Dk值。

　　當然，在實際應用(yòng)中，尤其是對(duì)于毫米波電路的(de)尺寸，電路尺寸和(hé)公差可(kě)能會導緻測量的(de)諧振頻(pín)率發生變化(huà)，從而導緻被測材料的(de)Dk值産生誤差。導體寬度和(hé)電路基闆（MUT）的(de)厚度變化(huà)也(yě)會影(yǐng)響環形諧振器的(de)頻(pín)率。此外，環形諧振器電路上的(de)銅箔厚度在整個(gè)線路闆上也(yě)可(kě)能不同。電路銅厚度的(de)變化(huà)會對(duì)間隙耦合環形諧振器的(de)耦合和(hé)諧振頻(pín)率産生影(yǐng)響，因此，在應用(yòng)環形諧振器測試方法确定毫米波頻(pín)率下(xià)線路闆材料的(de)Dk時(shí)，将電路銅厚度變化(huà)降至zui低是至關重要的(de)。

　　上面提到的(de)方法，是衆多(duō)成熟的(de)線路闆材料Dk值測試技術的(de)兩個(gè)個(gè)經典方法，可(kě)作爲在毫米波頻(pín)率下(xià)測量和(hé)确定線路闆材料Dk的(de)行業标準方法。這(zhè)兩種都是基于電路的(de)測試方法，也(yě)可(kě)以使用(yòng)其它基于原材料的(de)測試方法。

　　材料産業也(yě)迎來(lái)了(le)5G新時(shí)代，在應用(yòng)端手機、基站、物(wù)聯網、汽車等硬件載體都将對(duì)5G新材料有更多(duō)的(de)需求和(hé)更高(gāo)的(de)要求。