Dk测定对毫米波电路设计至关重要
微波射频网 2022-09-20

无论是用指定某一款PCB材料或者已知PCB材料进行电路设计,或者是用材料的Dk值进行仿真,对设计工程师来说,介电常数(Dk或相对介电常数)都是一个重要的起点。尤其是在较高的频率下,波长较短,电路尺寸必须非常精确,介质基板的Dk,电路材料的Dk准确性可能直接影响原型设计是否成功。电路材料的Dk值是根据电路材料的已知物理参数和测量过程中使用的电路形式和夹具的测量来确定的。

实际上,没有一种完美的Dk测量方法。正是这个原因,有许多不同的Dk测试技术都试图实现尽可能的最高精度。不同方法的实施难度和精度各不相同,即使在相同频率、温度下,测试同一个材料时,也可能会产生不同的Dk值。由于毫米波的应用,对电子电路的需要越来越多,所以Dk值的不确定性可能造成设计过程缓慢。当材料的Dk与宣称值不同时,利用该材料制作的电路样品的Dk值必须尽可能准确以确保性能,尤其是精细特征的毫米波电路的电气性能。不同的Dk测试方法会产生不同的Dk测定结果,因此对Dk测试的具体不同点和意义有一个基本的认识,能够很好的帮助毫米波下的电路设计。

随着电路和应用的频率不断增加,已经开发出了多种不同的方法,用于确定材料Dk和损耗因子(Df)等基本参数。所有测试方法大致可分为基于原材料和基于电路的两大类。基于原材料的Dk测试方法往往将材料放入一个特定测试夹具中,而基于电路的测试方法则会在这种材料上制作一个参考电路或结构,并从该电路或结构的测量结果中推导出材料的Dk。大部分基于原材料的Dk测试方法测量的是无导电铜箔层的纯介质材料,而基于电路的材料测量则包含导体的影响。

基于原材料的Dk测试方法通常测定单一频率和温度下的Dk值,而基于电路的Dk测试方法可以根据试验电路的类型,测试某一个频率范围的进行Dk值。另外,基于传输线结构的电路,例如微带线和带状线,可以通过连续扫频测量进行频率范围内的值,而使用谐振器的试验电路也仅可以测试单一频率下的值。

许多Dk测量方法根据如IPC(www.ipc.org)等行业组织的规定进行了标准化处理,例如,IPC TM-650汇集了用于确定PCB的Dk、损耗因子(Df)和其它基本材料参数的测试方法。然而,即使进行了标准化处理,而且对于测量的过程有明确的指导规则,但是对于同一种材料,不同的Dk测量方法仍可能会产生不同的Dk值,这仅仅是因为每种测量所涉及的变量不同。了解Dk测试方法的差异能够为设计人员在比较材料和Dk值时提供帮助和理解,尤其是当这些数值用不同方法测定时。

由于不同的Dk测试方法可能产生不同的Dk值,所以材料供应商特别是罗杰斯公司为同一种材料提供了多个Dk值:“过程”Dk和“设计”Dk。这里的过程Dk值是根据IPC-TM-650 2.5-5.5标准测试方法,测试单一频率和温度下的Dk值。而设计Dk值则是频率范围内的一系列值。对于大部分设计人员来说,设计Dk值为工程师提供了更为具体的某一频率下的材料的Dk值,特别是所设计电路的工作频率下的值。如的确没有相应的Dk值,例如在毫米波频率(30到300GHz)下,设计人员可能就不得不在相应的感兴趣的频率上进行自己的Dk测量。不同的Dk测试方法会产生不同的Dk值,了解该事实后,在采用不同的Dk测量方法时,则可以更好地理解测试所得到的Dk值含义。

Dk测试方法的对比

每种Dk测试方法的精度受多种因素的影响,例如测试设备(如矢量网络分析仪VNA)的校准精度、基于原材料的测量中使用的夹具的变化,或基于电路的Dk测量中使用的传输线或谐振结构的加工中发生的变化等。大部分电路材料是各向异性的,也就是Dk值在材料的x(长度)、y(宽度)和z(厚度)轴均有所不同。虽然测定x轴和y轴上的Dk值的方法也是有用的,但z轴上的Dk值的测量通常最值得关注,因为它表示的是大部分电路的传输线的材料的Dk值。

罗杰斯公司所使用的夹紧式带状线谐振器测试方法是IPC-TM-650 2.5-5.5定义的标准测试方法,用来测试电路材料的过程Dk值和损耗因子(Df)。这两个参数均是测试材料厚度或z轴方向的值。该测试方法准确高且可重复,但是仅测试的是单一频率下的Dk值,例如10GHz的Dk值;且它表征的是无导电金属铜箔的纯介质材料的特征。为了执行这一测试,需要将PCB层压板蚀刻去除掉铜箔后,将被测介质材料放置于内部含有谐振器的夹具中进行测量。通过夹具两侧的接地板,与夹具内含的谐振器共同构成一个带状线谐振。为了进行重复且准确的测量,试验夹具必须谨慎装配,这是因为装有被测材料的夹具中滞留的空气(Dk值为1)会成为测试的一部分,降低材料测定的Dk值。

测试夹具是所有基于原材料的Dk测试装置的基本构件。夹具通常使用某些形式的谐振器,测量谐振频率和材料厚度等物理参数从而测定材料的Dk值。所以,基于原材料的Dk测试的可重复性和精度更多的取决于试验夹具的精度,相比之下,基于电路的Dk测量方法的可重复性和精度取决于电路的加工影响。

很多不同类型的谐振结构被用于测定电路材料Dk值,如分离柱介质谐振器(SPDR)法、全板谐振(FSR)法和分离式圆柱形谐振器法等,这些都是IPC-TM-650 测量方法中定义的方法。SPDR测量将一个充满空气的谐振腔(空腔)与相同的装有被测材料的腔体做比较,得出所测材料的Dk值。该方法的精度取决于材料厚度测量和谐振腔尺寸的准确测量。SPDR测定的是材料x-y平面上的Dk值,而非z轴方向上的Dk值。FSR测量使用了一块带有完整铜箔的材料,通过扫频测量找到驻波或谐振峰获得Dk值。被测的带有完整铜箔的PCB板类似开口平行板的工作模式,进而测量该材料板的长度上的驻波。材料尺寸和谐振频率能够提供充足信息推导出材料在该谐振频率下的Dk值。该方法适用于波长长、频率低的应用,但是在测定较薄材料时不够准确。

分离式圆柱形谐振器方法需要将一个被测材料样品放在上下圆柱形谐振腔之间。圆柱形谐振腔的一半固定,另一半可以移动,上下圆柱体之间有一个可调间隙,以适应被测材料的不同厚度。在上下圆柱体的侧孔中通过一个小的耦合环,测量与材料的x-y平面相切的电场,以测定Dk值。

基于电路的Dk测量方法在应用和产生的结果方面也是不同的。这些方法可能取决于传输线电路或结构的传输和反射特性的测量,或取决于谐振电路频率和相位的测量。传输线类型包括微带线、带状线和共面波导(CPW),而谐振电路包括环形谐振器以及将谐振器作为电路单元的带通滤波器的结构。

测量的精度取决于材料和电路物理尺寸的精确测量,例如传输线宽度、铜导体厚度以及介质厚度等。这些测量在毫米波电路和结构的尺寸上更具有挑战性。介质材料厚度的变化以及铜箔导体的粗糙度可能造成传输线上信号路径的变化,这些变化在毫米波频率下更加显著,而且还会降低Dk测定精度。较光滑的铜箔导体会缩短传输线上信号传输路径而得到不同的Dk测量值。电路的这些物理偏差对于谐振器类的电路Dk测量来说也非常重要,因为在谐振器电路中,频率和相位的精确测量是至关重要的。

为了能测定电路材料的Dk值,很多测试方法被提出和验证。用同一种测试方法在不同时间测试同一个被测样品材料,可以得到相同的Dk值;而对于使用不同的测试方法测量同一被测样品会得到不同的Dk值。简单来说,测试电路和夹具的变化造成了Dk值变化。这种变化可以通过每次使用相同的测试方法来将Dk值变化最小化,但是该测试方法可能不支持提供感兴趣的应用(例如频率)下的Dk值,例如在毫米波频率下的值。更好地了解Dk测试方法和它的变化,虽然不可能找到完美的Dk测试,但是对于相关应用,至少可以采用最佳Dk测量方法进行测定。

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