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）及其毫米波雷達安全系統(tǒng)，和第五代（5G）蜂窩通信技術(shù)擴展到更高頻率，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(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(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(shù)。因此對于毫米波電路設(shè)計工程師，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，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，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）場計算軟件提供的基于數(shù)值的結(jié)果進行比較，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，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新時代，在應(yīng)用端手機、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。