毫米波的材料介電常數(shù)怎么測試出來的?

　　毫米波（mm Wave）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28 GHz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(shù)（Dk）或相對介電常數(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或相對介電常數(shù)可以定義為材料在兩個金屬板之間時(shí)存儲的電荷量與金屬板之間是真空或空氣時(shí)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(chǔ)知識

　　大多數(shù)線路板材料供應(yīng)商使用的測量方法都是*的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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*。

　　在毫米波頻率下測量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(jìn)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(jìn)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(shí)，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(shù)。因此對于毫米波電路設(shè)計(jì)工程師，不能假設(shè)Z軸上10 GHz處的Dk值等于相同材料下XY平面上60GHz處的Dk值。在毫米波頻率下的測量電路材料Dk，對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)的測試技術(shù)。然而，一些Dk測試方法提供了非常好的測量精度和可重復(fù)性，使它們能成為毫米波Dk測量標(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測量技術(shù)。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(shí)，兩個微帶電路應(yīng)盡可能靠近，以盡量減少材料Dk變化帶來的影響?？梢允褂玫?，頻率覆蓋范圍高達(dá)110GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），測試MUT上兩個不同長度微帶電路的S參數(shù)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(huán)形諧振器法，其中環(huán)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(shè)計(jì)參數(shù)能詳細(xì)的反映諧振頻率。當(dāng)在MUT上加工一個環(huán)形諧振器時(shí)，通過測量諧振頻率就能準(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，尤其是對于毫米波電路的尺寸，電路尺寸和公差可能會導(dǎo)致測量的諧振頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致被測材料的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線路板上也可能不同。電路銅厚度的變化會對間隙耦合環(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zui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值測試技術(shù)的兩個個經(jīng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)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。

　　材料產(chǎn)業(yè)也迎來了5G新時(shí)代，在應(yīng)用端手機(jī)、基站、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等硬件載體都將對5G新材料有更多的需求和更高的要求。